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last_modified: "2026-10-24"
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[怎样认出一种新粒子](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/#discoveries)

粒子 · 实验 · 发现

# 怎样从大量 π 介子里挑出反质子

伯克利团队怎样认出极少数带负电的反质子？

Sandbox Physics · 2026-10-24

诺奖贡献：1959-1

1. 产生次级粒子束
2. 选出固定动量的负电粒子
3. 用两种方法测速度
4. 判断质量与质子相当

发现需要合用电荷、动量与速度，负电荷本身还不足以辨认反质子。

## 一束粒子里，熟面孔太多

1955 年，伯克利的张伯伦、塞格雷、威根德与伊普西兰蒂斯在 Bevatron 加速器上寻找反质子。他们要找的粒子质量与质子相当，电荷却为负。加速器能提供足够碰撞能量，困难在碰撞之后：大量普通负 π 介子也沿着同一束流通道跑来，稀少的反质子夹在其中。

高能质子打进靶中，碰撞产物被磁铁引向一条次级束流通道。选负电荷可以挡掉正质子，却挡不住负 π 介子。要是只在末端安一个会响的计数器，响声只能说明有粒子到达，还说不清到的是什么。

来源：[1]

## 造反物质，还要配上普通伙伴

产生反质子，要比把一颗质子的电荷翻过去困难得多。碰撞可以把入射动能变成额外一对质子与反质子的质量，原来的核物质也要留在末态中。新一对正负电荷互相平衡，所有产物还要分到运动能量。能量守恒从一开始就规定了门槛。

固定靶实验还有反冲。靶起初不动，入射束却带着总动量，末态必须继续带走这份动量。这样，一部分束流能量要用于整体运动，不能全部拿来造新质量。实验室束流所需能量，便明显高于单看新粒子对质量得到的数。

这解释了为什么 Bevatron 的能量如此重要。较早的加速器能研究许多核反应，却未必够得着这个产生门槛。够得着之后，也没有立刻得到干净反质子束，碰撞仍会制造更多轻粒子。

发现因此有前后两项任务：加速器先让反质子有机会出现，束流线路与计数器再从产物中识别它。后半段对动量和速度的精细比较，与前半段高能碰撞同样关键。

来源：[1]

## 磁铁选动量，计时器量速度

磁铁按照动量与电荷的比值选择粒子。实验挑出的动量约为 11.9 亿电子伏除以光速。这是加速器里常用的动量单位；给定单个负电荷，动量落在小范围内的粒子才能沿设定路线通过。

同样动量下，轻 π 介子跑得接近光速，重得多的反质子则明显更慢。团队沿一段已知距离放置闪烁计数器：粒子穿过时发出短促闪光，电子线路把闪光变成计时脉冲，比较两个脉冲就能测出飞行时间。

计时路径约十二米。π 介子大约四十纳秒跑完，质子质量的粒子则需要约五十纳秒。一纳秒是十亿分之一秒。日常经验里，这点差别小得不可想象；在电子线路里，它已经可以分辨。知道动量，再量速度，质量也就有了着落。

来源：[1]

## 切伦科夫计数器再问一次

团队还让另一类探测器独立检查速度。带电粒子在介质中跑得比该介质里的光的相速度更快时，会发出切伦科夫光。换一种材料，发光门槛也会改变；计数器便能帮助排掉接近光速的 π 介子，挑出反质子应该落入的较慢速度范围。

磁铁、闪烁计时与切伦科夫信号结合后，电子符合线路要求几个信号来自同一颗经过的粒子，减少无关脉冲碰巧拼成候选事例的机会。这样，即使计时偶尔出错，光学计数器仍会继续检查这颗粒子是否像一颗快速 π 介子。

最终选出的负电荷粒子，在实验精度内具有质子的质量。质量与电荷一起确定了反质子的身份。后续湮灭实验又追踪它遇到普通物质时会发生什么，把发现推进到相互作用的研究。

来源：[1]

## 同一颗粒子，要问几个问题

原始报告发表于 1955 年，张伯伦和塞格雷在 1959 年获诺奖。威根德与伊普西兰蒂斯也是发现论文的作者和实验的重要参与者。把这些名字保留在故事里，才能看清证据来自一套合作运转的加速器、束流线路与探测器。

这套辨认方法后来反复出现在粒子物理中。先让磁铁选定动量，再用飞行时间量速度，还要另一套探测器检查速度判断。稀有粒子之所以能从大群熟面孔里显现，是因为同一个事例接受了几次彼此配合的测量。

来源：[1] [2]

接着探索物理

## 动手试相关模型

### [让带电粒子转弯](https://sandboxphysics.com/zh/labs/charged-particle/)

反转电荷，比较轨迹弯曲方向。

经典洛伦兹力模型连接电荷、速度与磁场偏转。

## 来源与阅读说明

1. [Chamberlain, Segrè, Wiegand and Ypsilantis, Observation of Antiprotons (1955)](https://escholarship.org/uc/item/46p0z8w7)

   伯克利原始报告交代动量选择、飞行时间与切伦科夫计数器怎样共同识别带负电、质量与质子相当的粒子。

2. [Nobel Foundation, The Nobel Prize in Physics 1959](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1959/summary/)

   官方获奖记录区分 1959 年奖项与 1955 年发现，并列明张伯伦与塞格雷两位获奖人。

## 顺着问题继续读

[粒子、探测器与物质的规则](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/) [一块铅板怎样认出了正电子](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/anderson-positron-lead-plate/) [汤川为什么预言一种中等质量的粒子](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/yukawa-meson-range/) [两组实验遇见同一座窄峰](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/november-revolution-jpsi/) [一个电子、一个缪子，怎样指向 τ 轻子](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/perl-tau-missing-energy/)