重離子碰撞產(chǎn)生反物質(zhì)超氫-4

近日，中國科學(xué)院近代物理研究所等機(jī)構(gòu)的科研人員參與RHIC-STAR國際合作實驗研究，首次在相對論重離子金金碰撞中觀測到一種新的反物質(zhì)超核——反超氫-4，這是迄今實驗上發(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)知識認(rèn)為物質(zhì)和反物質(zhì)的性質(zhì)是對稱的，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，構(gòu)成了今天的物質(zhì)世界，并成為人類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？要回答這個懸而未決的問題，一個重要的思路是在實驗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，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，近一個世紀(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是在相對論重離子碰撞實驗中產(chǎn)生的。位于美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機(jī)（RHIC），能將重離子束加速至接近光速并使其對撞，在實驗室中模擬宇宙早期大爆炸的狀態(tài)。這種對撞能產(chǎn)生幾萬億度的高溫火球，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)會逃離與正物質(zhì)湮滅的命運(yùn)，被環(huán)繞對撞點(diǎn)的STAR實驗探測器觀測到。

反超氫-4由一個反質(zhì)子、兩個反中子和一個反Lambda超子組成。由于包含不穩(wěn)定的反Lambda超子，反超氫-4飛行僅僅幾個厘米后就會發(fā)生衰變。研究團(tuán)隊分析了共約66億個重離子碰撞事件的實驗數(shù)據(jù)，通過衰變產(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個反超氫-4的信號。

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

STAR是RHIC上的大型國際實驗合作組，由來自14個國家、74個單位的700多位研究人員組成。該工作由中國科學(xué)院近代物理研究所仇浩研究員團(tuán)隊主導(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)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊在衰變粒子重建技術(shù)及效率計算方面做出了重要貢獻(xiàn)。