反質子

反質子 (Antiproton)
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

1955年，反質子的存在首度由加州大學柏克萊分校的物理學家塞格雷(Emilio Gino Segrè)和張伯倫(Owen Chamberlain)所証實。(圖片來源：http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1959/index.html)

反質子是質子(Proton)的反粒子(Antiparticle)，符號為 $$\overline{p}$$。其質量及自旋與質子相同，且壽命也與質子相當；但其電荷及磁矩則與質子相反，且帶有與電子同電量的負電荷。這些性質與量子場理論的基礎－－CPT 對稱理論(charge, parity, time symmetry)預測相符合。一個反質子是由兩個上反夸克(Up antiquark)及一個下反夸克(Down antiquark)所組成。雖然反質子本身是穩定的，但由於反質子與質子撞擊會發生湮滅(annihilation)的現象，並且轉化為能量，是故反粒子無法在一般的自然環境中保存。

1955 年，反質子的存在首度由加州大學柏克萊分校的物理學家塞格雷(Emilio Gino Segrè)和張伯倫(Owen Chamberlain)所証實。他們透過粒子加速器發現了這種反粒子，並且証實了反質子與質子的相應性質，以及相反的電荷和磁矩。他們二人因而於1959年獲得諾貝爾物理學獎。

反質子可以於宇宙射線中被偵測到，目前普遍認為是宇宙射線中的高速正質子與星際間的原子核相互撞擊所產生的，其反應式如下：

$$p+A\rightarrow p+\overline{p}+p+A$$

其中 $$A$$ 表示一個被撞擊的原子核。上式產物中的反質子遂散佈於宇宙中，並受到星際磁場的束縛。由於目前為止只有反質子在太空中被偵測到，故科學家以兩種方式來推測太空中反物質的量：其一為觀察反質子的含量及與預測相違背的行為；另一個方法則是藉由反質子來尋找更大的反粒子，例如反氫原子。

反質子的特性已可由宇宙射線的觀察中略見端倪：反質子的能量分佈會隨著其與星際物質的碰撞而改變，這個性質可以被用來驗證宇宙射線中反質子的成因，目前我們觀測到宇宙射線中反質子的能量分佈跟相互撞擊機制所預測的結果是大體符合的，從這個比較中，科學家們還可以推估宇宙中經由超對稱暗物質粒子湮滅、或黑洞霍金輻射等等特殊機制中產生出的反質子數量的上限。

同樣地，科學家也可由目前宇宙中觀測到的反質子的保存時間，推測反質子壽命的下界。迄今科學家多半經由氣球運載實驗( balloon-borne experiment)來偵測宇宙射線中反粒子的存在與性質，此類實驗會在氣球上裝載磁場偵測儀，用以偵測範圍內帶電粒子的性質。此外也有為了偵測宇宙射線以及反物質的太空任務，例如2006年發射的搭載於人造衛星上的 PAMELA 偵測模組(Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics)。

反質子需在等同於 $$10$$ 兆 $$K$$ 以上的高溫環境下才能自發性的產生，是故在自然界中只有在特別高能的環境中，方能產生出反質子。不過在加速器中可以製造反質子，例如在歐洲核子研究組織(CERN)的實驗室中，科學家們以同步加速器把質子加速，使其能量高達 $$26~GeV$$，然後再與金屬銥棒撞擊，其能量足夠產生反質子。

參考資料：
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Antiproton
2. Halliday, Resnick, Krane: Physics, Volume 2, 5th Edition; John Wiley & Sons, inc. :p.1178