发现新的最重奇异反物质核

科学家们在研究相对论重离子对撞机(RHIC)中60亿次原子核碰撞产生的粒子轨迹时发现了一种新的反物质核，这是迄今为止探测到的最重的反物质核。RHIC是一种可以重现早期宇宙条件的“原子粉碎机”。科学家们发现，这种奇异的反核由四种反物质粒子组成，即一个反质子、两个反中子和一个反超子，被称为反超氢-4。

RHITAR合作小组的成员利用房屋大小的粒子探测器分析碰撞碎片的细节，从而获得了这一发现。他们在《自然》杂志上报告了他们的研究结果，并解释了他们如何利用这些奇异的反粒子来寻找物质和反物质之间的差异。

“我们对物质和反物质的物理知识是，除了具有相反的电荷外，反物质具有与物质相同的性质——相同的质量、衰变前的相同寿命和相同的相互作用，”STAR合作者、兰州大学核物理联合系和中国现代物理研究所研究生吴俊林说。

但事实是，我们的宇宙是由物质而不是反物质构成的，尽管人们认为这两种物质都是在大约140亿年前的大时以相等的数量产生的。

吴说：“为什么我们的宇宙由物质主导仍然是一个问题，我们不知道完整的答案。”

RHIC是美国能源部(DOE)科学办公室用户设施，位于美国能源部布鲁克海文国家实验室，用于核物理研究，是研究反物质的理想场所。重离子(被剥离电子并加速到接近光速的原子核)的碰撞会融化离子中单个质子和中子的边界。

能量沉积在由此产生的自由夸克和胶子混合物中，这些混合物是可见物质的最基本组成部分，会产生数千个新粒子。与早期宇宙一样，RHIC产生的物质和反物质的数量几乎相等。

比较这些粒子碰撞中产生的物质和反物质粒子的特征，或许能为某些不对称现象提供线索，这种不对称现象有利于当今世界上物质的存在。

探测重反物质

“要研究物质-反物质不对称，第一步是发现新的反物质粒子，”吴的IMP导师、STAR物理学家郝秋表示。“这是这项研究背后的基本逻辑。”

STAR物理学家此前曾观察到RHIC碰撞中产生的反物质原子核。2010年，他们探测到了反超氚子。这是首次发现含有超子的反物质原子核，超子是一种包含至少一个“奇异”夸克的粒子，而不仅仅是构成普通质子和中子的较轻的“上”和“下”夸克。

仅仅一年之后，STAR物理学家就通过探测氦核的反物质当量：反氦-4，打破了这一重量级反物质记录。

最近的分析表明，反超氢-4也可能触手可及。但探测到这种不稳定的反超核(用反超子(特别是反λ粒子)代替反氦中的一个质子将再次击败重量级记录保持者)将是一个罕见事件。

它要求所有四个组成部分——一个反质子、两个反中子和一个反λ——在RHIC碰撞产生的夸克胶子汤中，在正确的时间、朝着相同的方向发射出来，聚集在一起形成一个暂时的结合状态。

布鲁克海文实验室物理学家、STAR合作项目两位联合发言人之一李娟(LijuanRuan)表示：“这四种组成粒子在RHIC碰撞中出现时距离足够近，以至于它们可以结合形成这种反超核，这完全是偶然的。”

“π”栈中的针

为了找到反超氢-4，STAR物理学家观察了这种不稳定反超核衰变成的粒子的轨迹。这些衰变产物之一是之前检测到的反氦-4核;另一种是简单的带正电的粒子，称为介子(pi+)。

吴说：“由于STAR中已经发现了反氦-4，我们使用了之前使用的相同方法来拾取这些事件，然后用pi+轨迹重建它们以找到这些粒子。”

他所说的“重建”是指追溯反氦-4和π+粒子的轨迹，看看它们是否来自一个点。但RHIC碰撞会产生大量π介子。为了找到罕见的反超核，科学家们筛选了数十亿次碰撞事件!每次碰撞产生的每个反氦-4都可能与数百甚至1,000个π+粒子配对。

阮说：“关键是要找到两条粒子轨迹有交点或衰变顶点的粒子，这些粒子具有特定的特征。”也就是说，衰变顶点必须距离碰撞点足够远，这样两颗粒子才有可能来自火球中最初产生的粒子在碰撞后形成的反超核的衰变。

STAR团队努力排除所有其他潜在衰变对伴星的背景。最终，他们的分析发现了22个候选事件，估计背景计数为6.4。

“这意味着，其中大约六个看起来像反超氢-4衰变的事件可能只是随机噪音，”肯特州立大学博士生艾米莉·达克沃斯(EmilieDuckworth)说，她的职责是确保用于筛选所有这些事件并挑选出信号的计算机代码编写正确。

从22中减去背景值，物理学家们就有信心他们已经检测到大约16个实际的反超氢-4核。

物质与反物质的比较

该结果意义重大，足以让STAR团队进行一些直接的物质-反物质比较。

他们比较了反超氢-4与超氢-4的寿命，超氢-4由相同构造块的普通物质组成。他们还比较了另一对物质-反物质的寿命：反超氚子和超氚子。

两者都没有表现出显著的差异，这并不让科学家们感到惊讶。

他们解释说，这些实验是对一种特别强的对称性的测试。物理学家普遍认为，这种对称性的破坏极其罕见，而且无法解决宇宙中物质-反物质不平衡的问题。

达克沃斯说：“如果我们发现(这种特殊的)对称性被破坏，那么基本上我们就必须把我们所知道的很多物理学知识抛到九霄云外。”

因此，在这种情况下，对称性仍然有效，这多少让人感到欣慰。研究团队一致认为，结果进一步证实了物理学家的模型是正确的，并且是“反物质实验研究的一大进步”。

下一步将测量粒子和反粒子之间的质量差异，这也是达克沃斯正在努力的方向。

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