相对论重离子对撞机打破了发现最重反物质的记录

科学家们在60亿个粒子碰撞中发现了大约16个“反超氢-4”粒子，这是迄今为止发现的最重的反物质核。

迄今为止，在RHIC上发现了最重的反物质核，涉及一个反质子，两个反中子和一个反超子。这项研究有助于理解为什么物质主宰宇宙，并证实了反物质的基本特性，表明与物质相比，粒子的衰变速率没有显著差异。

新反物质原子核的发现

科学家们在相对论重离子对撞机（RHIC）上研究了60亿次原子核碰撞产生的粒子流的轨迹。RHIC是一种“原子加速器”，可以重现早期宇宙的状态。他们发现了一种新的反物质核，这是迄今为止检测到的最重的反物质核。由四个反物质粒子组成 —— 一个反质子，两个反中子和一个反超子 —— 这些奇异的反核被称为“反超氢-4”。

RHIC的STAR合作小组成员使用他们的房屋大小的粒子探测器来分析碰撞碎片的细节，从而发现了这一发现。8月21日研究人员在《自然》杂志上报告了他们的研究结果，并解释了他们是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的。

理解物质-反物质不对称

“我们关于物质和反物质的物理知识是，除了具有相反的电荷，反物质与物质具有相同的性质-相同的质量，相同的衰变前寿命，以及相同的相互作用，”STAR合作者吴俊林说，他是兰州大学核物理联合系和中国现代物理研究所的研究生。但事实是，我们的宇宙是由物质而不是反物质组成的，尽管人们认为，在大约140亿年前的大爆炸时期，物质和反物质的数量是相等的。

“为什么我们的宇宙是由物质主导的，这仍然是一个问题，我们不知道完整的答案，”吴俊林说。

RHIC是美国能源部（DOE）科学办公室在布鲁克海文国家实验室进行核物理研究的用户设施，是研究反物质的好地方。它的重离子碰撞 —— 原子核被剥夺了电子并加速到接近光速 —— 融化了离子中单个质子和中子的边界。自由夸克和胶子（可见物质最基本的组成部分）所产生的能量会产生数千种新粒子。和早期宇宙一样，RHIC产生的物质和反物质几乎相等。比较在这些粒子碰撞中产生的物质和反物质粒子的特征，可能会为某种不对称提供线索，这种不对称使平衡倾向于物质在当今世界的存在。

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，”STAR物理学家邱昊说，他是吴俊林在IMP的顾问，“这是这项研究背后的基本逻辑。”

STAR的物理学家此前已经观察到由反物质在RHIC碰撞中产生的原子核。2010年，他们发现了反超核聚变。这是第一次发现含有超子的反物质原子核，超子是一种至少含有一个“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”夸克和“下”夸克。然后，仅仅一年后，STAR物理学家通过探测到与氦核相当的反物质：反氦-4，推翻了重量级反物质的记录。

最近的一项分析表明，“反超氢-4”也可能是触手可及的。但是探测到这种不稳定的反超核将是一件罕见的事情 —— 在反氦中加入一个反超子（特别是一个反λ粒子）来取代一个质子将再次击败重量级纪录保持者。这需要所有四种成分 —— 一个反质子，两个反中子和一个反λ —— 在正确的地方、朝着同一个方向、在正确的时间从RHIC碰撞产生的夸克-胶子汤中释放出来，聚集在一起，形成一个暂时的束缚态。

布鲁克海文实验室物理学家阮丽娟（Lijuan Ruan）是STAR合作项目的两位联合发言人之一，她说：“只有在偶然的情况下，你才能让这四个组成粒子从RHIC碰撞中出现，它们靠得足够近，才能结合形成这个反超核。”

“Pi”堆叠中的针

为了找到“反超氢-4”，STAR的物理学家们观察了这种不稳定的反超核衰变成的粒子的轨迹。其中一种衰变产物是之前检测到的反氦-4核；另一种是一种简单的带正电的粒子，叫做介子。

“由于反氦-4已经在STAR中被发现，我们使用了与之前使用的方法相同的方法来拾取这些事件，然后用pi+轨道重建它们来找到这些粒子，”吴俊林说。

通过重建，他的意思是回溯反氦-4和π +粒子的轨迹，看看它们是否从一个点出现。但是RHIC的碰撞会产生大量的介子。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！碰撞产生的每一个反氦-4都可以与数百甚至1000个π +粒子配对。

阮丽娟说：“关键是要找到两个粒子轨迹有交叉点或衰变顶点的粒子，它们具有特定的特征。”也就是说，衰变顶点必须离碰撞点足够远，这两个粒子可能是由一个反超核的衰变产生的，这个反超核是在火球中最初产生的粒子碰撞后形成的。

STAR团队努力排除所有其他潜在衰变对伴星的背景。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。

肯特州立大学的博士生艾米丽·达克沃斯（Emilie Duckworth）说：“这意味着，其中大约有6个看起来像是“反超氢-4”的衰变，可能只是随机噪声。”她的任务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被正确编写。

从22中减去这个背景，物理学家有信心他们已经探测到大约16个实际的“反超氢-4”核。

物质反物质的比较

这个结果很重要，足以让STAR团队做一些直接的物质-反物质比较。

他们比较了反超氢-4和超氢-4的寿命，超氢-4是由相同结构单元的普通物质品种组成的。他们还比较了另一种物质-反物质对的寿命：反超质子和超质子。

两者都没有显示出显著的差异，这并不让科学家感到惊讶。

他们解释说，这些实验是对一种特别强的对称形式的检验。物理学家普遍认为，违反这种对称性的情况极其罕见，也无法解释宇宙中物质与反物质的不平衡。

达克沃斯说：“如果我们看到（这种特殊的）对称性被破坏，基本上我们就不得不把我们所知道的很多物理知识扔到窗外。”

所以，在这种情况下，对称仍然有效是一种安慰。研究小组一致认为，结果进一步证实了物理学家的模型是正确的，是“反物质实验研究的一大进步”。

下一步将是测量粒子和反粒子之间的质量差，这是达克沃斯正在进行的研究，他于2022年被选为美国能源部科学研究生研究办公室的资助对象。

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