近日，中國科學院近代物理研究所等機構的科研人員參與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超核——反超氫-4，這是迄今實驗上發(fā)現(xiàn)的最重的反物質超核。相關成果于8月21日發(fā)表在《自然》雜志上。

當前的物理學知識認為，物質和反物質的性質是對稱的，在宇宙誕生之初應該存在等量的正物質和反物質。幸運的是，某種神秘的物理機制導致了早期宇宙中正反物質數(shù)量極小的不對稱，在絕大部分正反物質湮滅后，約百億分之一的正物質得以存活下來，構成了今天的物質世界，并成為人類文明誕生和存在的基礎。是什么原因造成了宇宙中正反物質數(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并研究它們的性質。

反物質非常罕見，而由若干反重子進一步組合形成的反物質原子核和反物質超核（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”預示反物質的存在以來，近一個世紀，科學家僅發(fā)現(xiàn)了6種反物質（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（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與反物質?；鹎蜓杆倥蛎?、冷卻，使得一部分反物質有機會逃離與正物質湮滅的命運，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。

研究團隊還測量了反超氫-4的壽命，并與其對應的正粒子超氫-4比較，在測量精度范圍內兩者壽命沒有明顯差異，再次驗證了正反物質性質的對稱性。

反超氫-4是目前科學家觀測到的最重的反物質超核。它的發(fā)現(xiàn)和性質研究，使人們在反物質及正反物質對稱性的探索方面又邁出了重要一步。

“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。該工作由中國科學院近代物理研究所仇浩研究員團隊主導完成，博士生吳俊霖、路坦在物理分析中做出了突出貢獻。中國科學技術大學團隊在衰變粒子重建技術及效率計算方面做出了重要貢獻。

該工作得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金、中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究青年團隊等項目的支持。

（本文系由市科技局支持、《蘭州晚報》開設的“創(chuàng)新領航”專欄第79期。）

蘭州日報社全媒體記者 何燕 通訊員 尹經(jīng)敏 趙亮 中國科學院近代物理所供圖

責任編輯：馬和相