“把科學帶回家” 提供
今天介紹世界上最貴的“物質”，它們不能摸，一摸就消失。但是，科學家們卻可以把它們裝起來。這是怎麼回事呢？
編譯 七君
我們的世界是由物質構成的，也就是電子和夸克等粒子構成的。不過呢，這些粒子都有反粒子，也就是除了電荷相反以外，其他方面一樣的“孿生”粒子，它們就是反物質。
反物質是首先被數學預言，然後才被找到的東西。
1928年，量子力學奠基人保羅·狄拉克在解方程的時候發現方程存在2個解，類似於 (x2-1)=0有+1和-1兩個解一樣。不過，狄拉克沒有排除另一個解，而把它寫到了論文 The Quantum Theory of the electron 裡面。
1931年，他又發了一篇叫做 Quantised Singularities in the Electromagnetic Field 的論文，描述了反物質存在的可能性。
一年多後的1932年，有人（美國物理學家 Carl Anderson）居然真的拍到了一種反物質——正電子的照片。因此，人們開始重視起狄拉克對反物質的預言，並開始尋找其他反物質。
1932年，Carl Anderson拍到的雲室裡的正電子軌跡，中間的是6毫米厚的鉛板。 @wikipedia
雖然能夠拍到反物質，但是製造和捕捉它們又是另一回事了。科學家在2010年才首次成功捕捉了反物質。
捕捉反物質的難度在於，它們在宇宙中很少見（不然宇宙可能早就不存在了），而且遇到物質會爆炸，倆倆碰碰樂相消，同時釋放出能量，這個過程叫做湮滅。0.25克的物質和0.25克的反物質相遇湮滅釋放出的能量，等同於5千噸的TNT。
而且，反物質是世界上最昂貴的東西。
根據 NASA 在1999年公佈的消息，一克反物質的製造成本是6.25*1013美金。2015年的製造成本的數量級也在萬億美金的級別，小國恐怕舉全國之財力都造不出來。
不過呢，我們生活中會遇到反物質。
例如，香蕉會產生一種反物質——正電子。一根香蕉平均每天會釋放出15個正電子，因為你的香蕉裡含有微量的鉀40（鉀的一種同位素），而鉀40會發生放射性衰變，並在這個過程中釋放出正電子（正β衰變）。當然，你吃下含有鉀40的其他食物，也會產生正電子。
鉀40有多種衰變途徑，其中一種是β+衰變，釋放出正電子並衰變為氬40。
除了香蕉裡的反物質，科學家們也曾經觀測到雷暴產生反物質的證據。還有，醫學上常用的正子斷層照影（PET）就是利用正電子進行的。
正子斷層照影（PET）設備 @uiowa
PET 技術常常被用來檢測癌症和腦部成像。PET 利用能夠產生正電子的放射性同位素，讓它們和人體內的物質，比如葡萄糖結合。這些物質接著會釋放出正電子並和人體內的物質接觸湮滅，湮滅的過程產生伽馬射線，就可以被檢測到了。
正子斷層照影（PET）產生的圖像 @seeker
地球的磁場也類似於一個反物質阱，能困住反物質。科學家們也也曾經在地球附近的範艾倫輻射帶裡找到了反質子。
地球的範艾倫輻射帶的藝術描繪 @NASA/Scientific Visualization Studio
所以問題來了，既然香蕉也會產生反物質，為什麼反物質還這麼貴呢？
因為，要大量製造和儲存反物質很不容易。
美國費米國立加速器實驗室（Fermilab’s Tevatron particle accelerator）總共產生了15 納克（1納克 = 1克的十億分之一）的反質子（帶1個單位負電荷，類似於質子的反物質），歐洲核子研究中心（CERN ）製造出了1 納克的反質子，德國電子加速器（DESY）製造出了2 納克的正電子。
CERN @seeker
2015年時，儲存1克反物質需要2.5*1016千瓦時的能量。2018年，CERN 公佈，BASE 實驗成功無損地在6 開爾文（-267 攝氏度）的真空中儲存了幾粒反質子1年。CERN 稱，這些反質子是宇宙中最冷也是最長壽的反物質。
所以，天價反物質是怎麼製造的呢？在瑞士日內瓦，有製造反氫（氫的反物質）的工廠。一起來看看吧。
CERN 的反物質工廠 @CERN
科學家們首先用質子同步加速器，讓質子加速，然後使其和一些金屬（如鐳）相撞，產生的物質中有一些是反質子。然後，用磁場可以過濾這些粒子，因為反物質的電荷和普通物質相反嘛。
CERN的質子同步加速器 @CERN
不過呢，反質子沒有顏色也沒有氣味，用肉眼無法分辨。好在，反質子有獨特的電磁頻率，能讓科學家檢測它們的存在。
接著，反質子要通過這個六角形的儀器 ELENA（extra low energy antiproton ring）。ELENA是一個減速器，它可以把反質子減速50倍（從5.3MeV減速到0.1MeV）。
讓反質子減速的六角形裝置 ELENA
然後，減速後的反質子和正電子結合，就可以形成反氫原子了。
氫（左）由質子和電子構成，反氫（右）由反質子和正電子構成。
對了，反氫和氫的顏色是一樣的。2018年4月，CERN 的 ALPHA 課題組發表在《自然》上的研究指出，反氫和氫的顏色沒有差別。
氫弧燈中氫原子被激發時產生的顏色 @NASA-Ames
最關鍵的問題來了，既然反物質和物質相遇會湮滅，那麼怎麼儲存反物質呢？
還記得吧，某些反物質也是帶電的，比如正電子，所以可以用磁場困住它們。其中一種反物質陷阱，叫做彭寧離子阱，它類似於小型的加速器，可以困住反質子和正電子。
CERN 的 BASE 實驗採用的彭寧離子阱
但是它對中性粒子，比如反氫沒有用，因為反氫不帶電。對於這類不帶電的反物質，要用 Ioffe-Pritchard 阱（IP trap）來裝。
不過呢，現在我們還沒有辦法帶著大量反物質到處走。
把反物質裝到卡車裡，然後運到幾百米外的地方，是 CERN 的一個叫做 PUMA 的研究項目的目標。PUMA 想要在2022年把含有反物質的阱裝到卡車上，然後運到幾百米外的另一個實驗場地 ISOLDE。
這樣費勁，是因為 ISOLDE 這裡會產生稀有的放射性原子核，這些原子核會很快消失，因此無法搬運，只能讓別人自己過來先。反物質運過來以後，就會和這些短命的放射性原子核碰撞，這樣科學家就可以研究這些珍稀原子核的結構了。
2022年，PUMA 的小卡車被交警攔下。
交警：車上運的什麼？
司機：反物質。
交警：少來。打開看看。
https://shimo.im/docs/PvD8WGwQ3J6qC96d/
閱讀更多 萬物雜誌 的文章
