反粒子

在原子核以下層次的物質的單獨形態以及輕子和光子，統稱粒子。在歷史上，有些粒子曾被稱為基本粒子。

所有的粒子，都有與其質量、壽命、自旋、同位旋相同，但電荷、重子數、輕子數、奇異數等量子數異號的粒子存在，稱為該種粒子的反粒子。除了某些中性玻色子外，粒子與反粒子是兩種不同的粒子。

一切粒子均有其相應的反粒子，如電子e-的反粒子是正電子e+，質子p的反粒子是反質子，中子n的反粒子是反中子，1959年王淦昌領導的小 組發現的反西格碼負超子是Σ-的反粒子。有些粒子的反粒子就是它自己。如γ光子、π0介子和η介子。一些中性玻色子如光子、π0介子等，其反粒子就是它們自己。 ^[1] 

反粒子最早是1928年P.A.M.狄拉克理論上預言正電子而提出的，1932年被C.D.安德森實驗發現而證實；1956年美國物理學家張伯倫在勞倫斯-伯克利國家實驗室發現了反質子，他用玻璃管中的被粒子加速器加速過的高能粒子對相撞，發現在突然間成對出現了幾道軌跡，又在短時間內相撞而互相湮滅，這是人們第一次直接觀測到反粒子。進一步的研究發現，狄拉克的空穴理論對玻色子不適用，因而不能解釋所有的粒子和反粒子。根據量子場論，粒子被看作是場的激發態，而反粒子就是這種激發態對應的複共軛激發態。

正反粒子是從場論的觀點來認識的，場的激發態表現為粒子，與之對應，場的複共軛激發態表現為反粒子。當γ光子的能量大於某種粒子靜能的兩倍，在一定的條件下就可以產生正反粒子對；反之，正反粒子相遇可湮滅併產生兩個光子或 3 個光子，遵從質量-能量守恆和動量守恆。

每一種粒子都有一個和它的質量、壽命、自旋嚴格相等，而電荷卻正好相反的反粒子存在，這是狄拉克在他的正電子預言中提出來的。狄拉克方程預言了一種新的電子——正電子，從而開創了反原子、反物質、反世界的研究。1932年美國物理學家安德森在宇宙線的研究中發現了正電子，這是人類發現的第一個反粒子。 ^[2] 

如果所有的粒子都有相應的反粒子，首先檢驗的是應該存在質子的反粒子、中子的反粒子。1956年美國物理學家張伯倫（Owen Cham-berlain）等在加速器的實驗中，發現了反質子，即質量和質子相同，自旋量子數也是1/2，帶一個單位負電荷的粒子。接着又發現了反中子。後來發現，各種粒子都有相應的反粒子存在，這個規律是普遍的。有些粒子的反粒子就是它自己，這種粒子稱為純中性粒子。光子就是一種純中性粒子，光子的反粒子就是光子自己。在粒子物理學中，已不再採用狄拉克的空穴理論來認識正反粒子之間的關係，而是從正反粒子完全對稱的場論觀點來認識。

迄今，已經發現了幾乎所有相對於強作用來説是比較穩定的粒子的反粒子。 如果反粒子按照通常粒子那樣結合起來就形成了反原子。由反原子構成的物質就是反物質。 ^[3] 

歐洲核子研究中心的科學家們在歐洲當地時間2010年11月17日表示，通過大型強子對撞機，他們已經俘獲了少量的“反物質”，儘管只是少量的反氫原子而已，但已被科學界視為人類研究反物質過程中的一次重大突破。

實際上，早在1995年，歐洲核子研究中心就首次製造出了9個反氫原子。但反氫原子只要與周圍環境中的正氫原子相遇就會湮滅，因此實驗室中造出來的反氫原子稍縱即逝，科學家們根本無從研究它的真面目。這一次的實驗亮點就在於這些反氫原子存在了大約0.17秒。儘管這個時間在普通人看來也許非常短，但對科學家來説，已比先前有了實質性的延長，足夠他們進行較為深入的觀察和研究。

歐洲核子研究中心的科研人員於2011年6月5日在英國《自然·物理》雜誌上報告稱，他們成功地將反氫原子“抓住”長達一千秒的時間，也就是超過16分鐘。科學家在論文中説，他們在這一輪研究中，先後用磁場陷阱抓住了112個反氫原子，時間從五分之一秒到一千秒不等。

分析還顯示，這次抓住的反氫原子大多數處於基態，也就是能量最低、最穩定的狀態。這有可能是人類迄今首次製造出的基態反物質原子。如果能讓反物質原子在基態存在10分鐘到30分鐘，就可以滿足大多數實驗的需要。

2010年，來自歐洲核子研究中心(CERN)的研究人員成功地存儲了反物質，但維持時間僅不足1秒。歐洲核子研究中心能夠存儲由氫原子提取的反物質，存儲時間長達16分鐘，是此前存儲時間的5000倍。

這項研究發表在《自然物理學》雜誌上，揭曉歐洲核子研究中心阿爾法實驗建立的一個“磁瓶”——超導磁鐵，如何懸浮這些反原子遠離牆壁，以及如何存儲這些反氫原子。在過去近十年裏，科學家在實驗室內僅能保持數分鐘的反物質，這是由於該物質存儲之後便遭到破壞，從而難以長時間進行存儲。

項目研究科學家藤原誠(Makoto Fujiwara)教授説：“我們現已證實能限制性存儲反氫原子至長1000秒，這與一場曲棍球比賽時間相差無幾。這將是反物質研究領域一個重要轉折點。” ^[4] 

粒子可以分兩種：組成宇宙中物質的自旋為1/2的粒子和在物質粒子間引起力的自旋為0，1，2的粒子。而在物質間交換的攜帶力的粒子因為他們不像實粒子那樣可以用粒子探測器檢測到，故稱虛粒子。但他們具有可測量的效應。而在量子真空中，其場的值必須有一定的最小的不確定性量或量子起伏，人們可以將這些起伏理解為光或引力的粒子對，他們在某一時刻同時出現，互相離開，任何又相互靠近而且互相湮滅這些粒子正如同攜帶太陽引力的虛粒子。（或者説，由於這些粒子瞬時存在不能被觀測到，稱之為虛粒子。）至此都可以理解。但下面的説法:因為能量不能無中生有，所以粒子反粒子對中的一個參與者有正的能量，而另一個有負的能量。由於通常情況下，“實粒子”總是具有正能量，所以具有負能量的那個粒子註定是短命的“虛粒子”。似乎存在着這樣一條自然規律：一個粒子可以轉變為另一個粒子，但是，要是在起先並不存在粒子的情況下產生了 一個粒子，就必定會同時產生一個反粒子。這裏可以舉一個例子，一箇中子可以轉變成一個質子， 由於這是一個粒子轉變成另一個粒子，似乎是不成問題的。 不過，在這個轉化過程中還形成了一個電子。這就等於説有 一個粒子變成了兩個粒子。為了抵消掉這第二個粒子，這時 還形成了一個非常微小的反粒子，即所謂“反中微子”。這時，一個粒子（即中子）變成了另一個粒子（即質子） 加上一個粒子－反粒子對（即電子和反中微子）。 ^[5]