物理学家首次观察到反超氢-4

来自 STAR 合作组织的物理学家在美国能源部布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机 (RHIC) 中的原子核碰撞中观察到了反物质超核反超氢-4，由一个反超子、一个反质子和两个反中子组成。

兰州大学和中国近代物理研究所研究生吴俊林说：“我们对物质和反物质的物理认识是，除了电荷相反之外，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。”

“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 亿年前的大爆炸时以相等的数量产生的。”

“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。”

“研究物质—反物质不对称，第一步就是发现新的反物质粒子，这是这项研究的基本逻辑。”近代物理研究所研究员邱浩博士补充道。

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;这是首次发现含有超子的反物质核，超子是一种包含至少一个奇夸克的粒子，而不仅仅是构成普通质子和中子的较轻的上夸克和下夸克。

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 也许也触手可及。

但探测到这种不稳定的反超核将是一件罕见的事情。它需要所有四个组成部分——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，在正确的位置、朝同一方向、在正确的时间发射出来，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 (Lijuan Ruan) 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。”

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产生的粒子的轨迹。

其中一种衰变产物是之前探测到的反氦-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。”

布鲁克海文国家实验室的研究员阮丽娟博士说：“这四种组成粒子在 RHIC 碰撞中出现时，彼此之间距离足够近，以至于它们可以结合形成这种反超核，这完全是偶然的。”

RHIC 碰撞会产生大量介子。为了找到稀有的反超核，物理学家们仔细研究了数十亿次碰撞事件。

碰撞中产生的每个反氦-4 可能与数百个甚至 1,000 个 pi+ 粒子配对。

“关键是要找到两个粒子轨迹具有交叉点或衰变顶点并具有特定特征的轨迹，”阮博士说。

“也就是说，衰变顶点必须距离碰撞点足够远，以便这两个粒子可能起源于反超核的衰变，而反超核是在火球中最初产生的粒子碰撞后立即形成的。”

STAR 研究人员努力排除所有其他潜在衰变对伙伴的背景。

最后，他们的分析发现了 22 个候选事件，估计背景计数为 6.4。

肯特州立大学博士生艾米莉·达克沃斯 (Emilie Duckworth) 说：“这意味着大约六个看起来像反超氢-4 衰变的衰变可能只是随机噪音。”

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。

该结果意义重大，足以让科学家进行一些直接的物质-反物质比较。

他们将反超氢-4 的寿命与由相同构成块的普通物质组成的超氢-4 的寿命进行了比较。

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。

两者都没有显示出显著的差异，这并不令作者感到惊讶。

他们说：“这些实验是对一种特别强的对称形式的测试。”

“物理学家普遍认为，违反这种对称性的情况极为罕见，而且无法解决宇宙中物质与反物质不平衡的问题。”

达克沃斯说：“如果我们发现这种特殊对称性被破坏，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，这让人感到欣慰。”

“我们一致认为，研究结果进一步证实了我们的模型是正确的，并且是反物质实验研究的一大进步。”

该团队的研究成果发表在《自然》杂志上。