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反氢

反氢（英语：antihydrogen）是对应元素氢的反物质：每颗氢原子是由一颗质子及电子组成，而反氢则是由一颗反质子及正电子组成。其化学符号多以“H”表示，即“H”上加一横条，读作“H-bar”。科学家希望研究反氢，来阐明为什么在可观测宇宙中，物质比反物质多的问题，被称为重子不对称性问题。 [2] 反氢是在粒子加速器中人工产生的。 1999年，NASA 估计每克反氢的制造成本为62.5兆美元 (相当于今天的114兆美元)，使得它成为制造成本最高的物质。[3] 这是由于每个实验产生的反氢极低，并且使用粒子加速器的机会成本高。

反氢
一颗反氢原子由一个正子和一个反质子组成
IUPAC名
Antihydrogen
反氢
英文名 Antihydrogen
别名 反氕
种类 反物质
对应物质
物质 氢
氢（非金属） 氦（惰性气体）
锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（惰性气体）
钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 硅（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（惰性气体）
钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（惰性气体）
铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 锝（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（惰性气体）
铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镏（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砈（类金属） 氡（惰性气体）
钫（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 镎（锕系元素） 钚（锕系元素） 镅（锕系元素） 锔（锕系元素） 锫（锕系元素） 锎（锕系元素） 锿（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为惰性气体）
-
↑
氢
↓
锂
- ← 氢 → 氦
结构
组成 1个反质子与
1个正子[1]
识别
CAS号 12791-17-2
性质
化学式 H
最稳定同位素
主条目：反氢的同位素
同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰变
方式 能量​（MeV） 产物
1H 人造[查证请求] 未有实验测定 [查证请求]
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。
一颗反氢原子由一个正子和一个反质子组成

历史

1932年，此前一直研究宇宙射线的卡尔·戴维·安德森了发现带正电荷的电子：正电子。

1955年，埃米利奥·塞格雷和欧文·张伯伦通过使用粒子加速器“Bevatron（英语：Bevatron）”发现了反质子，即反氢的原子核。在此实验中还发现了反中子。

1995年，欧洲核子研究组织（CERN）和德国的研究小组发现在反质子周围与正电子反应，产生反氢圈，次年一月公布结果。

根据粒子物理学的CPT定律，反氢的不少特性均与氢相同，包括质量、磁矩及在量子状态中的过渡频率（即把镭射或微波光束射在反氢原子上，会发出与氢相同颜色的光，例如：1s-2s的过渡频率同样为243 nm[4]）。由于反物质的质量不会呈负数，因此在万有引力方面，反氢也应与正氢相同。

当反氢原子与正物质接触，它们会很快湮灭并化为伽马射线及高能量π介子，这些π介子又很快会衰变为μ子、中微子、正子及电子，并很快会消失。如果反氢原子处于真空环境，又不与正物质碰撞，它们理应永远存在，不会湮灭消失。

自然界的环境不会出现反氢，因此需靠人们以粒子加速器来制造。1995年，欧洲核子研究组织（CERN）成功在瑞士日内瓦的研究所中，以射击反质子来制造反氢原子，而这些反质子是在粒子加速器中的氙原子团中产生的。当一粒反质子接近氙原子核时，会产生正负电子各一粒，正电子给反质子抓获时，便会产生反氢原子。由于每粒反质子能变为反氢原子的机会率约为10-19，因此以这个方法去大量生产反氢原子，成本定会极为昂贵。

近年，ATRAP及ATHENA两个计划正于CERN共同进行研究，他们把从放射性金属钠中产生的正电子与困在彭宁离子阱中的反质子融合为反氢原子，每秒钟可生产100颗，这个方法于2002年首度试验，至2004年共生产了数十万颗。

这些反氢原子由于温度极高，约为摄氏数千度，因此撞向实验器皿时湮灭的机会也极高。而下一个目标是要制造低温的反氢，并处于接近绝对零度的水平，使之可由磁场来密封。然后可以镭射来准确量度其过渡频率，如果其结果与正氢不同，纵使其差距小，也能证明它们的特性不完全相同，并能帮助解释为何宇宙的物质以正物质为主，而非反物质。

2016年12月19日，《自然》杂志登出CERN的反氢镭射物理仪器（Antihydrogen Laser Physics Apparatus︔缩写作ALPHA）反质子减速器测得反氢中最低的两个能级（1S与2S）之间的电子跃迁（英语：atomic electron transition），其结果在实验误差内与一般的氢原子一致，吻合物质-反物质对称性的CPT对称性定律概念[4][5]。

实验历史

粒子加速器在 1990年代侦测到热的反氢。 2002年，ATHENA（英语：ATHENA） 研究过冷的反氢。 它是2010年由 CERN[6][7] 的反氢镭射物理仪器（ALPHA（英语：ALPHA Collaboration））小组首先捕获的， 然后测量了结构和其他重要特性。 [8] ALPHA、 AEGIS和 GBAR 计划进一步冷却和研究反氢原子。

特征

粒子物理学的CPT定理预测反氢原子具有的特征和正常的氢具有的许多特征一样；即质量，磁矩和原子态跃迁频率相同（请参见“原子光谱”）。[9] 举个例子，激发态的反氢原子会和激发态的普通氢原子发出一样颜色的光。 反氢原子应该会吸引其它物质和反物质（英语：Gravitational interaction of antimatter），其作用力应与普通氢原子所承受的力相同。[6] 如果反物质具有负的重力质量，这将是不正确的，尽管在经验上尚未得到证明，反氢有负重力质量的可能性很小（请参阅“ 反物质的重力相互作用（英语：Gravitational interaction of antimatter）”）。[10]

当反氢接触到正物质时，它们会迅速湮灭。 正电子会和电子反应并湮灭，放出伽马射线。而反质子，由反夸克组成，会和由夸克组成的质子或中子反应并湮灭， 生成高能的π介子，并衰变成缈子、中微子、正电子和 电子。 如果反氢原子存在于 真空的环境， 它们理论上可以永远存在。

作为一种反元素，反氢预计会有和氢一样的性质。[11] 举个例子，反氢在标准情况下会是一种无色气体，会和反氧反应，生成反水 ，
H
2
O
。

合成

第一个反氢于 1995 年由瓦尔特·厄莱尔特 的队伍在 CERN[12] 用Charles Munger Jr、Stanley J Brodsky 和 Ivan Schmidt Andrade提出的方法首次合成。[13]

在LEAR（英语：Low Energy Antiproton Ring）中，从一个粒子加速器 发射的反质子会射到氙 原子簇，[14] 形成电子-正电子对。 反质子捕获一个正电子，形成反氢原子的概率为 10−19，因此该方法不适合用于实际生产（如所计算的）。 [15][16][17] 费米国立加速器实验室 测量了一些不同的横截面 ，[18] 与量子电动力学的预测一致。 [19] 两者均导致高能或高温的反原子的反应，不适合进行详细研究。

随后，CERN建立了反质子减速器（AD），以支持朝着低能反氢的方向努力，以测试基本对称性。反质子减速器将提供给几个CERN组。CERN预计其设施将能够每分钟产生1000万个反质子。 [20]

反氢的同位素与其他反原子

主要的反氢同位素
同位素 衰变
丰度 半衰期 (t1/2) 方式 能量
（MeV） 		产物
1H 人造[查证请求] 理论上稳定[查证请求]，未有实验测定，带0粒反中子
2D 人造[查证请求] 理论上稳定[查证请求]，未有实验测定，带1粒反中子

人们亦可利用同样方法制造反氘（D；2H）、反氚（T；3H），或甚至是反氦（He），只是其难度更高。在2011年4月29日出版的英国《自然》杂志上刊登了成功合成反氦-4的消息，方法是将两个接近光速的金原子核对撞，通过筛选共探测到18个反氦-4的信号。反氘、[21][22] 反氦-3 (3
He
)[23][24] 和反氦-4 (4
He
) 的原子核[25] ，以如此高的速度产生了它们的相应原子的合成，带来了几个技术障碍。

参看

参考文献

  1. ^ Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen. [2020-11-14]. （原始内容存档于2021-02-24）. 
  2. ^ BBC News – Antimatter atoms are corralled even longer （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Bbc.co.uk. Retrieved on 2011-06-08.
  3. ^ Reaching for the stars: Scientists examine using antimatter and fusion to propel future spacecraft. NASA. 12 April 1999 [11 June 2010]. （原始内容存档于2010-06-12）. Antimatter is the most expensive substance on Earth 
  4. ^ 4.0 4.1 Ahmadi, M; et al. Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen. Nature. 2016-12-19 [2016-12-21]. doi:10.1038/nature21040. （原始内容存档于2016-12-30） （英语）. 
  5. ^ Castelvecchi, Davide. Ephemeral antimatter atoms pinned down in milestone laser test. Nature. 2016-12-19 [2016-12-20]. （原始内容存档于2016-12-20） （英语）. 
  6. ^ 6.0 6.1 Reich, Eugenie Samuel. Antimatter held for questioning. Nature. 2010, 468 (7322): 355. Bibcode:2010Natur.468..355R. PMID 21085144. doi:10.1038/468355a  . 
  7. ^ eiroforum.org – CERN: Antimatter in the trap （页面存档备份，存于互联网档案馆）, December 2011, accessed 2012-06-08
  8. ^ Internal Structure of Antihydrogen probed for the first time. Physics World. March 7, 2012 [2020-12-31]. （原始内容存档于2017-07-30）. 
  9. ^ Grossman, Lisa. The Coolest Antiprotons. Physical Review Focus. July 2, 2010, 26 (1) [2020-12-31]. （原始内容存档于2010-07-04）. 
  10. ^ Antihydrogen trapped for a thousand seconds. Technology Review. May 2, 2011 [2020-12-31]. （原始内容存档于2015-04-14）. 
  11. ^ Palmer, Jason. Antihydrogen undergoes its first-ever measurement. 14 March 2012 [2020-12-31]. （原始内容存档于2019-10-07） –通过www.bbc.co.uk. 
  12. ^ Freedman, David H. Antiatoms: Here Today . . .. Discover Magazine. January 1997 [2021-01-02]. （原始内容存档于2019-07-21）. 
  13. ^ Munger, Charles T. Production of relativistic antihydrogen atoms by pair production with positron capture. Physical Review D. 1994, 49 (7): 3228–3235. Bibcode:1994PhRvD..49.3228M. PMID 10017318. S2CID 12149672. doi:10.1103/physrevd.49.3228. 
  14. ^ Baur, G.; Boero, G.; Brauksiepe, A.; Buzzo, A.; Eyrich, W.; Geyer, R.; Grzonka, D.; Hauffe, J.; Kilian, K.; LoVetere, M.; Macri, M.; Moosburger, M.; Nellen, R.; Oelert, W.; Passaggio, S.; Pozzo, A.; Röhrich, K.; Sachs, K.; Schepers, G.; Sefzick, T.; Simon, R.S.; Stratmann, R.; Stinzing, F.; Wolke, M. Production of Antihydrogen. Physics Letters B. 1996, 368 (3): 251ff [2021-01-02]. Bibcode:1996PhLB..368..251B. doi:10.1016/0370-2693(96)00005-6. （原始内容存档于2018-07-21）. 
  15. ^ Bertulani, C.A.; Baur, G. Pair production with atomic shell capture in relativistic heavy ion collisions (PDF). Braz. J. Phys. 1988, 18: 559 [2021-01-02]. （原始内容存档 (PDF)于2021-01-17）. 
  16. ^ Bertulani, Carlos A.; Baur, Gerhard. Electromagnetic processes in relativistic heavy ion collisions (PDF). Physics Reports. 1988, 163 (5–6): 299 [2021-01-02]. Bibcode:1988PhR...163..299B. doi:10.1016/0370-1573(88)90142-1. （原始内容存档 (PDF)于2018-07-20）. 
  17. ^ Aste, Andreas; Hencken, Kai; Trautmann, Dirk; Baur, G. Electromagnetic Pair Production with Capture (PDF). Physical Review A. 1993, 50 (5): 3980–3983 [2021-01-02]. Bibcode:1994PhRvA..50.3980A. PMID 9911369. doi:10.1103/PhysRevA.50.3980. （原始内容存档 (PDF)于2018-07-20）. 
  18. ^ Blanford, G.; Christian, D.C.; Gollwitzer, K.; Mandelkern, M.; Munger, C.T.; Schultz, J.; Zioulas, G. Observation of Atomic Antihydrogen. Physical Review Letters (Fermi National Accelerator Laboratory). December 1997, 80 (14): 3037. Bibcode:1997APS..APR.C1009C. S2CID 58942287. doi:10.1103/PhysRevLett.80.3037. FERMILAB-Pub-97/398-E E862 ... p and H experiments 
  19. ^ Bertulani, C.A.; Baur, G. Antihydrogen production and accuracy of the equivalent photon approximation. Physical Review D. 1998, 58 (3): 034005. Bibcode:1998PhRvD..58c4005B. S2CID 11764867. arXiv:hep-ph/9711273  . doi:10.1103/PhysRevD.58.034005. 
  20. ^ Madsen, N. Cold antihydrogen: a new frontier in fundamental physics. Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2010, 368 (1924): 3671–82. Bibcode:2010RSPTA.368.3671M. PMID 20603376. doi:10.1098/rsta.2010.0026  . 
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  23. ^ Antipov, Y.M.; et al. Observation of antihelium3 (in Russian). Yadernaya Fizika. 1974, 12: 311. 
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外部链接

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