ALICE首次发现Hyperhelium-4的反物质伙伴的证据

大型强子对撞机 (LHC) 中重离子之间的碰撞产生了夸克胶子等离子体，这是一种高温致密的物质状态，据信在宇宙大爆炸后约百万分之一秒内充满了宇宙。重离子碰撞还为原子核和奇异超核以及它们的反物质对应物反核和反超核的产生创造了适宜的条件。测量这些形式的物质对于各种目的都很重要，包括帮助了解强子从等离子体的组成夸克和胶子中形成的过程以及当今宇宙中看到的物质-反物质不对称。

铅-铅对撞中产生antihyperhelium-4（两个反质子、一个反中子和一个反λ的结合态）的示意图（图片：Janik Ditzel for the ALICE collaboration）。

超核是由质子、中子和超子混合形成的奇异核，后者是包含一个或多个奇异夸克的不稳定粒子。超核自在宇宙射线中被发现以来已有 70 多年，它仍然是物理学家们着迷的源头，因为它们在自然界中很少见，而且在实验室中制造和研究它们具有挑战性。

在重离子碰撞中，超核大量产生，但直到最近，人们只观察到最轻的超核超氚子及其反物质伙伴反超氚子。超氚子由质子、中子和λ（包含一个奇异夸克的超子）组成。反超氚子由反质子、反中子和反λ组成。

继今年早些时候 STAR 合作组在相对论重离子对撞机 (RHIC) 上报告发现反超氢-4（一个反质子、两个反中子和一个反λ 的结合态）之后，LHC 上的 ALICE 合作组现在首次发现了反超氦-4 的证据，它由两个反质子、一个反中子和一个反λ 组成。该结果的显著性为 3.5 个标准差，也是迄今为止 LHC 上发现的最重反物质超核的第一个证据。

ALICE 测量基于 2018 年对每对核子（质子和中子）碰撞时获得的铅-铅碰撞数据，能量为 5.02 太电子伏特 (TeV)。 ALICE 研究人员使用一种优于传统超核搜索技术的机器学习技术，查看了超氢-4、超氦-4 及其反物质伙伴的信号数据。通过寻找 (反) 氦-4 原子核及其衰变为的带电介子，确定了 (反) 超氢-4 的候选者，而通过其衰变为 (反) 氦-3 原子核、(反) 质子和带电介子，确定了 (反) 超氦-4 的候选者。

除了找到显著性为 3.5 个标准差的反超氦-4 证据以及显著性为 4.5 个标准差的反超氢-4 证据外，ALICE 团队还测量了两种超核的产量和质量。

对于这两种超核，测量的质量与当前的世界平均值相符。将测量到的产量与统计强子化模型的预测结果进行了比较，该模型很好地描述了重离子碰撞中强子和原子核的形成。这种比较表明，如果预测中同时包括激发超核态和基态，则模型的预测与数据非常吻合。结果证实，统计强子化模型也能很好地描述超核的产生，超核是致密物体，大小约为 2 飞米（1 飞米为 10-15 米）。

研究人员还确定了两种超核的反粒子-粒子产率比，发现它们在实验不确定度范围内符合 1。这一一致性与 ALICE 观察到的 LHC 能量下物质和反物质的产量相等一致，并增加了对宇宙中物质-反物质不平衡的持续研究。