中國科學(xué)院近代物理研究所等機構(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。8月21日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》（Nature）上。

當(dāng)前的物理學(xué)知識認為，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)。幸運的是，某種神秘的物理機制導(dǎo)致早期宇宙中正反物質(zhì)數(shù)量極少的不對稱，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)。是何原因造成宇宙中正反物質(zhì)數(shù)量的差別？要回答這個問題，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“負能量解”預(yù)示反物質(zhì)的存在以來，近一個世紀以來科學(xué)家僅發(fā)現(xiàn)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，能夠?qū)⒅仉x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)。這種對撞能夠產(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)。火球迅速膨脹、冷卻，使得一部分反物質(zhì)有機會逃離與正物質(zhì)湮滅的命運，被環(huán)繞對撞點的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。該研究分析了約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，獲得了約16個反超氫-4的信號。

該團隊還測量了反超氫-4的壽命，并與其對應(yīng)的正粒子超氫-4進行比較。研究顯示，在測量精度范圍內(nèi)兩者壽命沒有明顯差異，這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)超核。它的發(fā)現(xiàn)和性質(zhì)研究，使科學(xué)家在反物質(zhì)及正反物質(zhì)對稱性的探索方面邁出了重要一步。

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。

該工作由近代物理所研究員仇浩團隊主導(dǎo)完成。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科研團隊在衰變粒子重建技術(shù)和效率計算方面作出貢獻。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究青年團隊計劃等的支持。

論文鏈接

反氦-4與π⁺介子不變質(zhì)量譜中的反超氫-4信號

重離子碰撞產(chǎn)生反物質(zhì)超氫-4