科學家觀測到迄今最重反物質超核

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，這是迄今實驗上發現的最重的反物質超核。相關成果于8月21日發表在《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，科學家僅發現了6種反物質（超）核。

此次發現的反超氫-4是在相對論重離子碰撞實驗中產生的。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。這種對撞能產生幾萬億度的高溫火球，包含幾乎等量的正物質與反物質。火球迅速膨脹、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。由于包含不穩定的反Lambda超子，反超氫-4飛行僅僅幾個厘米后就會發生衰變。研究團隊分析了共約66億個重離子碰撞事件的實驗數據，通過衰變產生的反氦-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。它的發現和性質研究，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。

相關論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07823-0

重離子碰撞產生反物質超氫-4。近代物理研究所供圖。