正物质和反物质相遇就一定会湮灭吗？

地球上的物质是由原子构成的，而原子核是由质子和中子组成的，电子围绕着它们旋转，它们以无数种可能的方式结合在一起，形成了我们所体验到的周围世界。然而，对于存在的每一种基本复合物质粒子，也有其反物质对应物，例如质子的反质子、中子的反中子、电子的正电子等。当物质和反物质碰撞和相互作用时，它们会湮灭，产生纯能量和自然界量子定律以及爱因斯坦最著名的方程E = mc²所允许的任何粒子。

但是物质和反物质相互作用时一定会湮灭吗？其他类型的相互作用是否也可能存在，甚至很有可能存在？

物质与反物质湮灭似乎是不可避免的，但它真的会 100% 发生吗？当它们湮灭时，是什么物理原理要求它们这样做？这些都是令人着迷的问题，物理学确实有答案。让我们来探究一下。

当自由电子与原子核重新结合时，电子会沿着能级向下移动，同时发射光子。为了在早期宇宙中形成稳定的中性原子，它们必须达到基态而不产生潜在的电离紫外光子：这是一个复杂的过程，导致中性原子直到热大爆炸开始数十万年后才形成。

每当两个粒子相互靠近时，它们就有可能（但不一定）发生相互作用。确定相互作用概率的方法是测量所谓的横截面积：一个粒子“撞击”另一个粒子的有效面积。我们知道质子和中子等粒子具有特定的尺寸，其半径略小于飞米（10^-15 米），而电子被证实是点状的，其最小半径必须小于十分之一阿米（10^-19 米），我们通过深度非弹性散射实验知道了这个数字。

你可能会认为，只要给定这些物体的大小，你就可以估算出它们的横截面积，只需假设它们是具有特定半径的球体，并且它们的横截面积由圆的面积给出：πr²。如果你用经典思维来思考，那将是非常合理的，例如将这些粒子视为台球。

但这假设粒子和反粒子相互作用的方式过于简单和经典：它们像台球一样相互“弹开”，并且像台球一样，如果它们没有完全对齐并且没有发生物理碰撞，它们就不会相互作用，但这根本不是事实。

原子的传统模型已有 100 多年历史，即带正电的原子核和带负电的电子围绕运行。虽然这幅图景源自过时的玻尔模型，但我们只需考虑量子不确定性，就能得到更好的模型。

例如，考虑由自由质子和自由电子形成中性原子的过程。质子只有大约一飞米大小，而电子更小。但你不需要让电子与质子碰撞才能形成原子；你只需要让电子与质子有足够近的接触——距离质子大约一埃（10^-10 米）——就可以形成一个束缚的中性原子的量子过程。当质子和电子发生电磁相互作用时： 辐射量子，即光子，是自发发射的；当电子与质子（激发原子）形成结合态， 然后电子沿着原子内部的各个能级级联下来时，每个阶段发射一个光子，直到到达基态，成为稳定的中性氢原子。

换句话说，由于质子和电子这两个粒子之间存在束缚态，我们必须考虑这样一种可能性：它们不是像典型的散射事件中的粒子那样“反弹”，而是可以通过电磁相互作用形成这种束缚态。此外，由于这些是量子粒子（而不是总是表现得像台球的“经典”粒子），我们不能简单地将它们视为具有特定横截面的球体。

该图说明了位置和动量之间固有的不确定性关系。当其中一个更准确地被了解时，另一个本质上就更不可能被准确了解。其他共轭变量对，包括能量和时间，在两个垂直方向上旋转，或角位置和角动量，也表现出同样的不确定性关系。

相反，我们必须认识到，无论这些粒子相对于彼此的运动速度有多快或多大的能量，它们本质上都是量子粒子。（这同样适用于反粒子；无论我们具体谈论的是物质还是反物质，都无关紧要。）因为它们本质上是量子的，这意味着它们的位置无法准确定义，而是具有固有的不确定性：不确定性随着每个粒子（或反粒子）动量的增加而增加。具体来说，这是由于海森堡不确定性原理的一个体现，它告诉我们：

· Δx Δp ≥ ℏ/2，

其中 x 是位置，p 是动量，ℏ 是普朗克常数。

每当两个（或更多）量子的波函数重叠时，就有两种方法可以解决这个问题。我们可以从理论的角度来解决这个问题，使用量子场论来计算诸如截面、振幅以及产生各种最终状态的概率，包括简单的前向（反弹）散射、转变为束缚态（无论是否稳定），或相互作用，或湮灭成各种各样的产物。在物理学中，每个没有明确禁止的结果都必须考虑到其概率，无论其有多小。

高能粒子可以相互碰撞，产生大量新粒子，这些粒子可以在探测器中看到。通过重建每个粒子的能量、动量和其他属性，我们可以确定最初发生碰撞的粒子以及在此事件中产生的粒子。

我们也可以从实验的角度来处理问题，我们只需直接测量这些量：包括前向散射、形成束缚态，以及物质和反物质湮灭成各种衰变产物的可能性。与你可能认为或预期的相反，物质-反物质湮灭并不一定会 100% 发生。

以质子及其反物质对应物反质子为例。这是欧洲核子研究中心大型强子对撞机（用质子对撞质子）问世之前世界上最强大的粒子加速器和对撞机的核心——费米实验室的 TeVatron。当你以各种速度/能量向对方发射质子和反质子时，你可能会对测量结果感到惊讶。你在实验中发现的截面不能用一个值很好地表示，如果质子和反质子的行为像台球，你就会期望得到一个值。

相反，你会发现截面是能量依赖的，而且是以违反直觉的方式依赖能量的。在高能量下，比如在 ~200 GeV 或更高能量下（能量大于任何标准模型粒子的静止质量能量），质子-反质子截面与质子-质子截面相同，就好像一个是物质，另一个是反物质，都无关紧要一样。

上图显示质子-反质子总截面与能量的关系，与可比质子-质子截面的关系。在高能量下，即约 200 GeV 及以上，这些截面相同。但在较低能量下，质子和反质子的相反电荷以及它们形成结合态的潜力占主导地位，导致质子和反质子的截面较大。

但在较低能量下，质子-反质子碰撞或相互作用的截面比质子与其他质子之间的截面大得多，因为在低动量下，质子和反质子的波函数有更多时间重叠，并允许质子内部的至少一个物质夸克（上、上、下）与反质子内部的至少一个反夸克（反上、反上、反下）相互作用。出于历史原因，粒子物理学家测量横截面积的量称为谷仓，例如“你正试图击中谷仓的宽边”。

实际上，巴恩是（通常是核）横截面积的单位，对应于边长为 10 飞米（或 10^-14 米）的小正方形。10 毫巴恩是上图 y 轴上数字之间的间隔，对应于边长为 1 飞米（10^-15 米）的小正方形。在这些低能量和低动量下，质子-反质子相互作用比质子-质子相互作用更为常见，这是有道理的。质子带正电荷，因此两个质子会相互排斥。反质子带负电荷，因此质子-反质子对会相互吸引。而且，由于反质子与电子具有相同的电荷，您可能会认为质子和反质子之间也可以形成结合态，就像质子和电子形成原子一样。

质子奇异原子图，由质子和反质子组成。由质子和电子组成的氢原子半径约为 1 埃，这是因为质子（和反质子）的质量比电子大 2000 倍，但电荷相等。

这实际上发生在自然界中！它被称为质子或反质子氢，是一种奇异原子，其中质子和反质子通过电磁相互作用结合在一起。产生反质子的高能粒子碰撞（包括产生质子-反质子对）以及在磁笼内操纵质子和反质子都是产生质子氢的方法。在非常低的能量下，在~1 keV 及以下（约为质子静止质量能量的百万分之一），有可能形成质子氢，其平均寿命约为一微秒，结合能为 -750 eV。

为什么质子氢的寿命只有约 1 微秒？

出于同样的原因，质子-反质子湮没截面在低能下会大大增加，因为这些粒子不能被视为台球！同样，这个质子和这个反质子表现为波函数，并且它们彼此之间的距离非常小（仅为标准氢原子大小的 1/2000），这些波函数大量重叠。平均寿命约 1 微秒对应于质子氢在其中的质子和反质子重叠并通过湮没衰变之前平均需要多长时间：要么变成两个光子，要么变成包含夸克-反夸克粒子的喷流（强子，最常见的是介子）。

质子与反质子的湮灭截面的实验数据（点）和理论预测（线）。请注意，在极低能量下截面急剧上升，这使得质子氢能够在低于约 1 keV 的能量下快速湮灭。

值得注意的是，实验和理论在质子与反质子的湮灭截面上都一致，这证实了我们针对这些复合粒子的量子场论与宇宙实际呈现给我们的一致。我们也可以研究另一种物质-反物质：两个点状电子。虽然你也许可以随意解释为什么质子和反质子（每个大约为飞米大小）的湮灭截面以数十到数千毫巴为单位，但对于电子和正电子来说，它们每个在物理上都必须比质子或反质子小约 10,000 倍以上。

确实如此：与质子-反质子截面相比，电子-正电子截面明显减小，但减小幅度只有约 1,000,000 倍。电子和正电子实际上在很多方面与质子和反质子非常相似。

· 在低能量下，它们具有比中间能量更高的相互作用截面。

· 它们可以形成结合态：电子-正电子结合态称为正电子素，与质子和反质子的质子素相对，平均寿命约为~1 微秒。

· 在高能量下，它们仍然相互作用，但截面与电子-正电子在低能量相互作用没有什么不同。

只是，当电子和正电子湮灭时，它们 100% 的能量都会用于产生新的粒子，因为它们是点状粒子，而不是由夸克（或反夸克）和胶子构成的复合粒子。

电子-正电子截面与能量的关系。请注意，一巴恩等于 10^-24 厘米²，因此当电子和正电子相互作用或湮灭时，我们谈论的是微巴恩或纳巴恩，而不是我们通常谈论的质子和反质子的毫巴恩。

当人们谈论建造未来的对撞机时，最流行的想法之一就是建造轻子对撞机。事实上，通常有三种主要设计可供选择：

· 电子-正电子直线对撞机，

· 电子-正电子环形对撞机，

· 以及一个μ子-反μ子环形对撞机。

线性对撞机方案在建造成本方面最便宜，但缺点是每个电子-正电子束只有一次碰撞机会：在它们相遇的碰撞点。由于固有的电子-正电子截面较低，大多数电子-正电子束都会错失碰撞机会。虽然建造环形对撞机的成本更高，但它提供了让轻子朝一个方向循环、反轻子朝相反方向循环的机会，让它们成群反复通过，直到它们在你建造探测器的特定点真正发生碰撞。

电子和正电子并不总是发生碰撞，这就是我们必须处理这一问题的原因。在加速器物理学中，你需要大量的统计数据和大量的事件来建立新粒子及其特性的证据。μ 子和反μ 子提供更高的能量，但由于它们不稳定且衰变的平均寿命约为 2.2 微秒（并且更难产生、准直和加速），它们只能提供比同类电子-正电子对撞机低得多的光度或总碰撞次数。

费米实验室的全尺寸μ介子-反μ介子对撞机早期设计方案（现已失效），该实验室拥有仅次于欧洲核子研究中心大型强子对撞机的世界第二大粒子加速器。μ介子可以达到与质子相当的能量，但碰撞信号清晰，所有能量都集中在一点，就像电子一样。如果能克服短寿命和低亮度问题，那么对于下一代对撞机来说，这确实可以兼具两者的优点。

并不是有一条物理原理规定“只要有物质和反物质，它们就必然湮灭”，因为它们并不总是这样。所有物质的粒子种类（以及所有反物质的反粒子种类）与其反粒子（或粒子）对应物都只有有限的横截面，碰巧是能量相关的横截面。有时，你只会得到纯弹性散射，就好像这些粒子是台球一样。有时，在足够低的能量下，它们可以形成束缚态，例如质子素（对于质子-反质子对）或正电子素（对于电子-正电子对），它们可以在粒子世界中持续相对较长的时间：长达一微秒左右。

但是，无论是在极低能量还是极高能量下，都有巨大的横截面（或相互作用的机会）会导致物质和反物质粒子相互湮灭，碰撞能量加上每个湮灭粒子的静止质量能量决定了可用于产生新粒子（或粒子 - 反粒子）的能量：通过爱因斯坦的E = mc²。我们认为质子（和反质子）具有特定的大小，而电子（和正电子）是点状的，而它们的实际横截面是能量和动量相关的，并且要求我们将这些粒子视为量子实体——在空间中扩散的波函数重叠，并且有机会通过量子隧穿进入另一个状态。

湮灭率（或截面）如此之大的原因在于粒子的量子性质，以及海森堡不确定性原理，其中位置的不确定性至关重要。这进一步证明了我们旧有的、经典的宇宙概念已经过时，并强调了量子过程在我们能想象到的几乎每一个亚原子过程中的重要性！