中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索2014/12/10 反物质探索 科学与社会 一新生研讨课 (1)11月份完成学生分组（一组不超过4人）： (2)12月上旬组织学生选题，12月下旬学生完成选题： (3)学生寒假期间进行项目调研： (4)2015年3月份指导学生撰写报告： (5)2015年4月份导师审阅修改学生报告，帮助其定稿： (6)2015年5月份组织完成小班答辩： Bangjiao YE (7)2015年6月份给出学生成绩。（网上提交，打印，签 中园缚传术大草物理学院 字提交) The School of Physical Sciences,USTC 一、什么是反物质 ●什么是反物质 ·反物质探索 。反物债的应用 电子 反电子 电子+质子+中子 正电子+反质子+反中子 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，严禁传播 1
2014/12/10 1 反物质探索 Bangjiao YE （1）11月份完成学生分组（一组不超过4人）； （2）12月上旬组织学生选题，12月下旬学生完成选题； （3）学生寒假期间进行项目调研； （4）2015年3月份指导学生撰写报告； （5）2015年4月份导师审阅修改学生报告，帮助其定稿； （6）2015年5月份组织完成小班答辩； （7）2015年6月份给出学生成绩。（网上提交，打印，签 字提交） ---新生研讨课 什么是反物质 反物质探索 反物质的应用 一、什么是反物质 电子+质子+中子 正电子+反质子+反中子 电子 反电子 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有， 严禁传播 叶邦角主讲
中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索2014/12/10 Antimatter Matter 也许字宙中还有一个反你，你遇到反 你时，小心不要握手！ The Big Bang requires the existence X of an antimatter universe 大燥炸形成了我们的宇宙， 应该是既有物质，又有反物质， 2种物质世界应该是完全对称 的. 那么，我们的另一半在哪里？ Non-existence of antimatter in the 科学家们相信宇宙中某一 vicinity of our galaxy means: 个地方应该存在着一个反物质 Strong CP violation 世界！ Or Antimatter clustered in far away domain 科学家在20Mps108光年范围没观测 大爆炸产生的反物质哪里去了？ 到宇宙中有反物质存在的证据，主要是由 物质组成的。 口大爆炸初期，温度很高，宇宙介质是由正反物质构 成的.几乎所有的粒子都具有相同的数密度 由宇宙中的星体，气体可得 口随着字宙的冷却，介质中某中粒子的静质量与温度 在一个数量级时，通过热碰撞产生几率显着下降，而 重子数/光子数=10-9~10-10 它的潭灭却依然容易发生. 口温度T由宇宙膨胀动力学决定，衰变速率由微观动力 学决定，两者不可能如此好地协调当温度降至与某 可有(W。-Ng)KNB+Ng)=10~100 种粒子的静质量相等以后，该粒子将逐渐消失。 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，严禁传播
2014/12/10 2 也许宇宙中还有一个反你, 你遇到反 你时, 小心不要握手! 你 反你 The Big Bang requires the existence of an antimatter universe Non-existence of antimatter in the vicinity of our galaxy means: Strong CP violation Or Antimatter clustered in far away domain 大爆炸形成了我们的宇宙, 应该是既有物质,又有反物质, 2种物质世界应该是完全对称 的. 那么,我们的另一半在哪里? 科学家们相信宇宙中某一 个地方应该存在着一个反物质 世界! ? 科学家在20Mps~108 光年范围没观测 到宇宙中有反物质存在的证据，主要是由 物质组成的。 由宇宙中的星体，气体可得 重子数/光子数=10-9 ~10-10 可有 109 10~10)/()( B B B NNNN B 大爆炸初期, 温度很高, 宇宙介质是由正反物质构 成的. 几乎所有的粒子都具有相同的数密度. 随着宇宙的冷却, 介质中某中粒子的静质量与温度 在一个数量级时, 通过热碰撞产生几率显著下降,而 它的湮灭却依然容易发生. 温度T由宇宙膨胀动力学决定, 衰变速率由微观动力 学决定, 两者不可能如此好地协调. 当温度降至与某 种粒子的静质量相等以后, 该粒子将逐渐消失. 大爆炸产生的反物质哪里去了？ 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有， 严禁传播 叶邦角主讲
中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索2014/12/10 Before time 1 microsecond (after Big Bang) 口如果湮灭过程中C或CP略有破坏，则介质中正反粒 Energy◆→protons+antiprotons 子的数量开始不相等. After time =1 microsecond 口温度降至大统一尺度能量以下时，重子数不对称过 Energyprotons antiprotons 程被冻结. Small excess(1/1000 000 000)of protons 口温度降至1GeV时，正反重子开始通过湮灭而消失. CP violation) 若正粒子数格大于反粒子数，厘灭后仅剩下正粒子 多余的部分. time =1 us:The big antimatter massacre: 口重子数应远小于光子数，这正是目前的状况. 1000 000 001 protons 1 000 000 000 antiprotons 1 proton energy 二、反物质探索 1928年，Dirac把量子论和 相对论结合在一起，得到了 个描述电子运动的方程 式 iaΨ=mΨ 电子运动的Dirac7方程 In 1932,Carl Anderson discovers the positron moSYΨ=0 得到电子的能量为： FUVSICAL REVIEN The Punitire Eleoa E'=p'c+mc n Paul Dirac大朋地覆言一切粒子 都存在其反粒子，电子的反粒子 E=-√p2e2+m6c 就是正电子 这是第一次提出反物质的存在 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，严禁传播
2014/12/10 3 如果湮灭过程中C或CP略有破坏, 则介质中正反粒 子的数量开始不相等. 温度降至大统一尺度能量以下时, 重子数不对称过 程被冻结. 温度降至1GeV时, 正反重子开始通过湮灭而消失. 若正粒子数略大于反粒子数, 湮灭后仅剩下正粒子 多余的部分. 重子数应远小于光子数, 这正是目前的状况. Before time = 1 microsecond (after Big Bang) Energy protons + antiprotons After time = 1 microsecond Energy protons + antiprotons Small excess (1/1000 000 000) of protons ? ( CP violation) time = 1 µs : The big antimatter massacre: 1 000 000 001 protons + 1 000 000 000 antiprotons = 1 proton + energy 二、反物质探索 1928年, Dirac把量子论和 相对论结合在一起,得到了 一个描述电子运动的方程 式. g mi 电子运动的Dirac方程 0)( 0 4 1 cm x i m m m g 42 0 22 cmcpE 42 0 22 cmcpE 得到电子的能量为： Paul Dirac 大胆地预言一切粒子 都存在其反粒子, 电子的反粒子 就是正电子. 这是第一次提出反物质的存在. In 1932, Carl Anderson discovers the positron 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有， 严禁传播 叶邦角主讲
中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索2014/12/10 赵忠尧与诺贝尔奖差肩而过 赵忠尧在1927年到加州理工学院攻读学 位，做硬y射线吸收系数的测量工作。赵忠 尧用放射性元素钍衰变的中间产物Thc(即 铊208)作辐射源，它能辐射出能量为 2.6MeV的y射线。测量这种硬y射线在几种物 质中的吸收系数之后，赵忠尧意外地发现， 射线只在通过轻元素时吸收的情况才与公式 相符，当通过重元素时，出现了反常现象， 实际吸收量远大于公式给出的量。 中国科学技术大学的缔造者之一 近代物理系首任系主任 1929年底，赵忠克将结果整理成论文。但由于实验 1930年春天， 他重新实验，他发现，y射线被 结果与密立根敏授预期的不相符，密立根不甚相信： 散射时除康背顿射外： 文章交他之后两三个月仍无回音，幸而替密立根代 常的 这 收还有 特殊的光 种特 然米随者盟箭花 射出现。 管研究生工作的鲍恩(Bowen)教授十分了解该实验 福射的强度是天致客向同廷的 从仪器设计到结果分析的全过程，他向密立根教授 每 字的能量写一个电字质量的相当能量 很 近 保证了实验结果的可靠性，文章才得以于1930年5 这 结果表明，y射线在重元素中的特殊吸 月在《美国国家科学院院报》上发表。 、收不是由晋赵尧将个转果 新 的反应机制。 论文 吉果写成第 目为《更y 军代育在美晶 1930 《物理评论》 染上发表 (69 (0) 1902.6.27-1998528 科幻故事 ●1940，Isaac Asimov::正电子 智能机器人 ●1943，J.Williamson:反地球 ●1966，G.Roddenberry,《星 际迷航》，反物质驱动超光 速飞船。 ●1988，E.Kotani and.J M.Roberts,用反物质探察 1996 北京医院 星系。 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，严禁传播 4
2014/12/10 4 中国科学技术大学的缔造者之一， 近代物理系首任系主任 赵忠尧在1927年到加州理工学院攻读学 位，做硬g射线吸收系数的测量工作。赵忠 尧用放射性元素钍衰变的中间产物Thc（即 铊208）作辐射源，它能辐射出能量为 2.6MeV的g射线。测量这种硬g射线在几种物 质中的吸收系数之后，赵忠尧意外地发现， 射线只在通过轻元素时吸收的情况才与公式 相符，当通过重元素时，出现了反常现象， 实际吸收量远大于公式给出的量。 1929年底，赵忠尧将结果整理成论文。但由于实验 结果与密立根教授预期的不相符，密立根不甚相信。 文章交他之后两三个月仍无回音，幸而替密立根代 管研究生工作的鲍恩(Bowen)教授十分了解该实验 从仪器设计到结果分析的全过程，他向密立根教授 保证了实验结果的可靠性，文章才得以于1930年5 月在《美国国家科学院院报》上发表。 Carl D. Anderson (1905.9.3-1991.1.11) Zhao Zhongyao, (1902.6.27.-1998.5.28) R. A. Millikan (1868 .3.22–1953.12.19) 1930年春天，他重新实验, 他发现，γ射线被 铅散射时，除康普顿散射外，伴随着前述的反 常吸收还有一种特殊的光辐射出现。当时测定 的这种特殊辐射的强度是大致各向同性的，并 且每个光子的能量与一个电子质量的相当能量 很接近。 这一结果表明，γ射线在重元素中的特殊吸 收不是由康普顿效应引起的，它揭示了一种新 的反应机制。赵忠尧将这个实验结果写成第二 篇论文，题目为《硬γ射线的散射》，并于1930 年10月在美国《物理评论》杂志上发表。 1996 北京医院 科幻故事 1940, Isaac Asimov: 正电子 智能机器人 1943, J. Williamson: 反地球 1966，G.Roddenberry, 《星 际迷航》，反物质驱动超光 速飞船。 1988，E. Kotani and J. M.Roberts，用反物质探索 星系。 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有， 严禁传播 叶邦角主讲
中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索？014/12/10 欧洲世界最 大的加速器 When matter is created 科学家们希望能 凰重现宇宙产 在实验室制造出 生初期的景 象，包括反 反物质！ 物质产生1 反质子的发现 1955年10月，全世界的媒体的头条新闻都是：“New Atom Particle Found;:Termed a Negative Proton". 过粒子撞还把能 Segre'和他的小组朝着自然界物质与反物质的对称性迈 转换成正反物质， 进了重要的一步. 即粒子与反粒子。 Segre'and Chamberlain were awarded the Nobel Prize in 1959. 反中子发现 反原子核的发现 ·1956,B.Cork等科学家宜布发现反 中子 1965,2组科学家(CERN,A. Zichichi;USA-BNL,L.Lederman) 同时宣布发现antideuteron,即由反 2d+u 2ā+u 质子和反中子组成的核. Neutron Anti-Neutron 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，严禁传播 5
2014/12/10 5 科学家们希望能 在实验室制造出 反物质! 反质子的发现 1955 年10月, 全世界的媒体的头条新闻都是:“New Atom Particle Found; Termed a Negative Proton”. Segre‘ 和他的小组朝着自然界物质与反物质的对称性迈 进了重要的一步. Segre' and Chamberlain were awarded the Nobel Prize in 1959. 反中子发现 • 1956, B. Cork等科学家宣布发现反 中子. 反原子核的发现 1965, 2组科学家(CERN, A. Zichichi; USA-BNL, L. Lederman) 同时宣布发现antideuteron, 即由反 质子和反中子组成的核. 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有， 严禁传播 叶邦角主讲