重離子碰撞產(chǎn)生反物質(zhì)超氫-4

近日，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所等機(jī)構(gòu)的科研人員參與RHIC-STAR國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)研究，首次在相對(duì)論重離子金金碰撞中觀測(cè)到一種新的反物質(zhì)超核——反超氫-4，這是迄今實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的最重的反物質(zhì)超核。相關(guān)成果于8月21日發(fā)表在《自然》雜志上。

當(dāng)前的物理學(xué)知識(shí)認(rèn)為物質(zhì)和反物質(zhì)的性質(zhì)是對(duì)稱的，在宇宙誕生之初應(yīng)該存在等量的正物質(zhì)和反物質(zhì)。幸運(yùn)的是，某種神秘的物理機(jī)制導(dǎo)致了早期宇宙中正反物質(zhì)數(shù)量極小的不對(duì)稱，在絕大部分正反物質(zhì)湮滅后，約百億分之一的正物質(zhì)得以存活下來(lái)，構(gòu)成了今天的物質(zhì)世界，并成為人類(lèi)文明誕生和存在的基礎(chǔ)。是什么原因造成了宇宙中正反物質(zhì)數(shù)量的差別？要回答這個(gè)懸而未決的問(wèn)題，一個(gè)重要的思路是在實(shí)驗(yàn)室中制造新的反物質(zhì)并研究它們的性質(zhì)。反物質(zhì)非常罕見(jiàn)，而由若干反重子進(jìn)一步組合形成的反物質(zhì)原子核和反物質(zhì)超核（即包含Lambda等超子的原子核），則更加難以產(chǎn)生。自1928年狄拉克方程的“負(fù)能量解”預(yù)示反物質(zhì)的存在以來(lái)，近一個(gè)世紀(jì)，科學(xué)家僅發(fā)現(xiàn)了6種反物質(zhì)（超）核。

此次發(fā)現(xiàn)的反超氫-4是在相對(duì)論重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的。位于美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)（RHIC），能將重離子束加速至接近光速并使其對(duì)撞，在實(shí)驗(yàn)室中模擬宇宙早期大爆炸的狀態(tài)。這種對(duì)撞能產(chǎn)生幾萬(wàn)億度的高溫火球，包含幾乎等量的正物質(zhì)與反物質(zhì)?；鹎蜓杆倥蛎?、冷卻，使得一部分反物質(zhì)有機(jī)會(huì)逃離與正物質(zhì)湮滅的命運(yùn)，被環(huán)繞對(duì)撞點(diǎn)的STAR實(shí)驗(yàn)探測(cè)器觀測(cè)到。

反超氫-4由一個(gè)反質(zhì)子、兩個(gè)反中子和一個(gè)反Lambda超子組成。由于包含不穩(wěn)定的反Lambda超子，反超氫-4飛行僅僅幾個(gè)厘米后就會(huì)發(fā)生衰變。研究團(tuán)隊(duì)分析了共約66億個(gè)重離子碰撞事件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)衰變產(chǎn)生的反氦-4和π+介子反向重建反超氫-4，最終獲得了約16個(gè)反超氫-4的信號(hào)。

研究團(tuán)隊(duì)還測(cè)量了反超氫-4的壽命，并與其對(duì)應(yīng)的正粒子超氫-4比較，在測(cè)量精度范圍內(nèi)兩者壽命沒(méi)有明顯差異，再次驗(yàn)證了正反物質(zhì)性質(zhì)的對(duì)稱性。反超氫-4是目前科學(xué)家觀測(cè)到的最重的反物質(zhì)。

STAR是RHIC上的大型國(guó)際實(shí)驗(yàn)合作組，由來(lái)自14個(gè)國(guó)家、74個(gè)單位的700多位研究人員組成。該工作由中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所仇浩研究員團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)完成，博士生吳俊霖、路坦在物理分析中做出了突出貢獻(xiàn)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在衰變粒子重建技術(shù)及效率計(jì)算方面做出了重要貢獻(xiàn)。