反粒子(Antiparticle)

反粒子(Antiparticle)
國立臺灣大學電機工程學系96級戴伃芸/國立臺灣大學化學系鄭原忠助理教授責任編輯

多數的基本粒子都有其對應的反物質粒子，也就是所謂的反粒子。(圖片來原：http://physicsdream.blogspot.com/)

宇宙中所有的物質都是由基本粒子組成的，例如電子、質子、中子、光子、夸克(quark)，以及在加速器中找到的微中子、膠子等。 多數的基本粒子都有其對應的反物質粒子，也就是所謂的反粒子。粒子和反粒子的質量、生命期、自旋等性質相同；但電荷、磁矩等性質則相反。

舉例來說，電子的反粒子稱為正電子(anti electron)，或叫正子(positron)，夸克的反粒子稱為反夸克，質子的反粒子稱為反質子等。少部分的基本粒子並沒有反物質，這種粒子就是純中性量子，反物質就是他自己本身，例如光子。

反質子、反中子和反電子如果像質子、中子、電子那樣結合起來就形成了反原子。而由反原子構成的物質就是反物質，與此相對的即是正物質，也就是一般所指的物質。

反粒子的概念首先由英國物理學家狄拉克(P.A.M. Dirac)在他的空穴理論(Hole theory)中提出的。他在一九二八年提出符合狹義相對論要求的電子方程式(Dirac Equation)，可以從中推導出所有已知的電子性質，堪稱傑作，但這個方程式卻同時預測具負能量的量子狀態。狄拉克認為具有負能量的量子狀態的確存在，但是它們已經被電子占據了，而又因為電子遵循不相容原理，所以其他電子無法進入這些帶負能量的量子態，因此在一般狀況下，這些負能量態是沒有任何作用的。但是一旦某個負能量態上的電子被激發，產生空穴(Hole)，它的行為就會是像一個帶正電的粒子。 後來他認為這個「空穴」其實是一種新粒子，也就是前面提到的正子。

1932年, 安德森在宇宙射線(cosmic ray)的研究中發現一種帶有正電，但其質量遠小於質子質量的粒子。安德森由偵測輻射粒子軌跡的實驗結果估算，這種粒子所帶的質量遠小於當時已知的帶正電粒子質子，而是大約與電子質量相同。後來證實這個新的粒子就是狄拉克所預測的正電子，說明了反物質確實是存在的。

目前科學界普遍認為，宇宙大爆炸(Big bang)早期曾產生數量相同的物質和反物質，隨後正反物質的湮滅消耗掉大部分的正物質和反物質，剩下來的正物質就構成了目前的宇宙。理論上宇宙大爆炸時所產生的正粒子與反粒子應該數量相同，但是因為正粒子與反粒子的衰變速率不完全一樣，導致目前在宇宙中觀察到的絕大多數都是正粒子。弱交互作用力(Weak interactions)中的CP對稱破壞(CP-symmetry violation)可以用來解釋正反粒子衰變速率不一的問題，但該理論仍無法完全解釋現今宇宙中正反粒子數量的差距。

參考資料：
1. Wikipedia– Antiparticle http://en.wikipedia.org/wiki/Antiparticle