10.3 反物质

来源： 考纲 §12 · 课堂笔记 §2.1.3

历史：****狄拉克（1928）从理论上预言反物质，安德森（1932）实验证实。反粒子与粒子仅电荷（相反）不同——质量及其余性质完全相同（这正是下文每个光子恰好 511 keV 的根据）。如今在 CERN（ALPHA 实验——专门产生、囚禁并测量单个反氢原子，以比较物质与反物质的 CERN 实验）甚至能制造完整的反氢原子。（反氦原子至今尚无法制造——只能产生反氦原子核，且来自重离子对撞，如 ALICE，与 ALPHA 无关。）

**湮灭（成对湮灭）：**物质遇到反物质，二者完全湮灭为辐射。以电子 + 正电子（即反电子）为例：

$$e^{-}+e^{+}\to 2\gamma$$

为什么是两个光子——又为什么恰好相反（180°）？

答案都来自守恒律。考虑典型情形：电子与正电子几乎静止地相遇（总动量 $\approx 0$）：

1. 为什么会变成光子？ 粒子与反粒子带相反电荷（电子 $-e$、正电子 $+e$），其余各种「荷」也都相反。湮灭时这些相互抵消——只剩下无电荷、无质量的东西：光子（$\gamma$）。
2. 为什么不只一个光子？ 因为动量守恒。湮灭前总动量 $\approx 0$。但单个光子总有非零动量（它以 $c$ 运动）——那将违反守恒。所以至少要两个光子，使其动量之和为零。
3. 为什么是 180°（恰好相反）？ 要让两光子动量之和为零（与湮灭前一致），它们必须大小相等、方向相反——故两光子沿 180° 飞出。这正是 PET 成像的基础：两个对置探测器同时测到一个光子，便确定了湮灭所在的直线。
4. 每个光子有多少能量？ 由能量守恒配合 $E=m{c}^2$：两个粒子的静能被分配。在静止情形下，每个光子带走一个电子的静能，

$$E_{\gamma }=m_e{c}^2\approx 511\text{keV}，$$

$m_e\dots$ 电子质量；$c\dots$ 光速。背后始终是 $E=m{c}^2$：质量变能量（反之亦然——即成对产生）。

✎ 效率多高？ 物质-反物质湮灭把 100% 的质量转化为能量——不留任何物质残余。对比：铀-235 裂变只有约 0.1%，聚变约 0.7%。因此湮灭是可设想的最高效的能量转换。

✎ 物质-反物质不对称的术语。大爆炸时物质比反物质略多（比例 $({10}^9+1):{10}^9$，详见 §10.5），其根源在于自然界对物质与反物质的对待并不完全相同——这称为对称性破缺（Symmetriebruch）（一个底层对称性被轻微「打破」）。具体负责此事的违反叫CP 破坏 / CP 违反（CP-Verletzung）（对组合 Charge–Parity 对称性的违反：若把每个粒子换成其反粒子（C）并且做空间镜像反演（P），自然界的表现并不完全一致）。正是这极微小的 CP 破坏，由 CERN 的 LHCb 探测器研究（§10.5 研究目标 7）。

✎ 虚交换粒子 vs. 实交换粒子。力由虚交换粒子（virtuelle Austauschteilchen）传递（如虚光子，§10.4）——它们只借助能量-时间不确定性短暂「借来」存在，无法直接探测。与之相对的是实交换粒子（reelle Austauschteilchen）：「真实的」、可自由测量的粒子——例如湮灭 $e^{-}+e^{+}\to 2\gamma$ 中产生、并打到探测器上的实光子（reelles Photon）。口诀：虚 = 传递一种力（不可观测），实 = 一个自由、可探测的粒子。