他们从66亿数据中捞出最重的“核”

来源：中国科学报

■记者 叶满山

有一种工作，要求科学家在庞大的66亿条数据中寻找并识别出约16个极其微弱的信号，这项如同大海捞针般的工作就是寻找反物质超核。

中国科学院近代物理研究所研究员仇浩团队主导完成的国际合作实验研究成果近期发表于《自然》。研究团队在相对论重离子碰撞实验中观测到一种新的反物质超核——反超氢-4。这是迄今实验发现的最重的反物质超核。

追梦宇宙大爆炸

什么是反物质？根据现有的物理学理论，每一种粒子都有对应的反粒子，它们具有相同的质量但电荷相反。例如，电子的反粒子是正电子，质子的反粒子是反质子。当物质和反物质相遇时，它们便会相互湮灭，释放出巨大的能量。

宇宙诞生之初，理论上应该存在等量的正物质和反物质。然而，目前我们能观测到的宇宙几乎完全由正物质构成。这一明显的正反物质不对称现象一直是物理学研究的重大谜题。

为了解开这个谜题，科学家提出了多种假设和理论，而其中一个重要思路，就是在实验室中制造反物质并研究其性质。

早在孩童时期，仇浩就对物理学和天文学产生了浓厚兴趣。尽管后来被西安交通大学经济类专业录取，但最终他还是费尽周折转入物理专业，全身心投入物理学的学习和研究中。

“物理学是一门最基本的学科，它用优美的形式描述了自然界一些最基本的规律，构成了化学、生物等学科的基础。能从事感兴趣的专业是非常幸运的事。”仇浩说。

毕业后，仇浩被保送至中国科学院近代物理研究所，并在导师徐瑚珊的建议下，于2008年赴美国螺旋管径迹探测器（STAR）实验国际合作组学习。这个大型实验组由来自十几个国家的数百名科学家组成，大家根据兴趣选择不同课题，利用美国相对论重离子对撞机开展高能核物理实验。

“相对论重离子对撞机的最高对撞能量可达200GeV，能把原子核加速到接近光速。”仇浩介绍，这种实验条件能产生几万亿摄氏度高温的核物质，模拟宇宙大爆炸早期的状态。2010年和2011年，STAR实验合作组宣布发现反超氚和反氦-4，当时还是博士生的仇浩就在这两项物理分析工作中作出了重要贡献。

“反物质核的研究难点，在于它们的产额非常低，而本底非常高。每增加一个反重子，反物质核的产额会降至近千分之一。因此在上世纪70年代发现反氚和反氦-3的几十年后才发现了新的、更重的反物质核。”仇浩告诉《中国科学报》。

艰难寻找反超氢-4

2019年，仇浩回到中国科学院近代物理研究所，加入新成立的夸克物质中心。在研究室召开的一次组会上，他从同事的课题汇报中发现了一个有趣的现象——超氢-4的信号强度比预期强四五倍。这个意外发现让他开始思考，反物质超氢-4的信号是否也可能由于某种机制而同样增大四五倍。经过初步计算，他惊喜地发现，如果确实是这样，那么利用STAR实验的现有数据，就有可能发现反超氢-4这一新的反物质核。

于是，仇浩毫不犹豫地开始了这项研究。但是起初的兴奋过后却是一无所获。

由于包含不稳定的反超子，反超氢-4的寿命非常短，飞行仅仅几厘米后就会发生衰变，需要对通过探测器看到的两个衰变子体进行重构，反推反超氢-4的存在。从每个事例几千个末态粒子中挑出两个组合，会产生巨量的组合本底。因此团队首先使用了包含高精度硅像素探测器的数据。这种方式虽然能够更精确地找到衰变顶点，有助于压低本底，但却存在信号损失过多的问题，导致团队在最初的数据分析中一无所获。

“这个发现并不容易。我们花了一年多时间，几乎什么都没找到，大家都有些灰心。但仇老师一直没有放弃，并告诉我们还是有希望的。他带领我们分析原因，尝试不同解决办法。”团队成员、博士生吴俊霖告诉《中国科学报》。

于是，团队从头开始，尝试使用没有硅像素探测器的数据。经过一段时间的努力，他们终于看到了一个微弱的信号。

“使用不变质量图识别信号，本底就像一座平缓的山岭，信号则是一个小小的、比较窄的山峰。想办法把平的东西往下压，把窄的东西变大，这样就能看见更多的信号。”仇浩表示。

在看到一丝希望后，团队继续改进，努力压低本底，进一步提高信号显著度。其中每一项改进应用到几十亿事例的庞大数据集上，都可能耗费一个月的时间。有些尝试提高了信号显著度，还有一些则没有带来明显的改进。

“我们最终采用了一种重建效率更高的算法——卡尔曼滤波算法进行衰变顶点重建。经过无数次尝试和调整，我们在2021年8月看到了令人振奋的结果，清晰地捕捉到反超氢-4的信号。”团队成员、博士生路坦兴奋地说。

这一关键改进立竿见影，团队最终成功在66亿次重离子碰撞事件的实验数据中找到了十几个反超氢-4的显著信号。反超氢-4由一个反质子、两个反中子和一个反超子组成，是目前实验观测到的最重的反物质超核。

然而，发现新的反物质超核信号只是一个开始。新的反物质超核的性质如何？在重离子碰撞中会产生多少？这些问题需要通过严谨的测量来回答。反物质超核的重建效率需要细致计算和修正，虽然过程十分繁琐，但只有经过反复多角度的检查复核，才能得到正确的测量结果。

又经过近两年的努力，团队完成了正/反超氚、正/反超氢-4的寿命测量，以及多种核的产额比测量。在测量精度范围内，反超核与其对应的正物质超核的寿命没有明显差异，再次验证了正反物质性质的对称性。

揭开反物质世界奥秘的一小步

研究团队发表于《自然》的反超氢-4研究成果，在获得学界认可的同时，也引发了媒体和公众的讨论。

研究反物质有什么用？这可能是很多公众的疑问。“研究反物质可以帮助我们了解物质世界为什么存在，拓展知识边界本身也是一种‘有用’。”仇浩说，反物质的研究还能推动该领域技术发展，提高人类制造、探测、利用反物质的能力，为未来发现更多未知的反物质奠定基础。随着科技发展，人类甚至有可能把反物质当作能量载体，像一些科幻作品中描述的那样，通过正反物质湮灭的能量进行宇宙航行。

对于仇浩和他的团队来说，反超氢-4的发现只是探索反物质世界奥秘的一小步。“未来，随着强流重离子加速器装置的建成，团队将在我们国家的装置上研究超核，寻找新的超核。超核所携带的信息，将有助深入了解中子星的内部结构和性质。同时，我们参与研制的无中微子双贝塔衰变实验，也有可能通过中微子引发的轻子数破缺，解释宇宙正反物质不对称这一重要的科学问题。”仇浩表示。