2024年如何让我们更深入地了解粒子物理世界

粒子湮灭以反氦的形式产生反物质的图示。（图片来源：W.M.Keck天文台/Adam Makarenko）

从字面上讲，宇宙中的一切都是建立在粒子之上的，从构成我们周围一切的原子的基本粒子到产生反物质和暗物质等难以捉摸现象的奇特粒子。前者帮助我们观察和操纵我们的世界，而后者帮助我们理解它，暗示着围绕宇宙的创造、进化和结构的深刻奥秘。

然而，当涉及到粒子物理学时，大部分动作都发生在以光速将粒子粉碎在一起的巨大加速器中。这些加速器有时是人造的，因此生活在地球上——其他时候，它们是宇宙型的，存在于深空。

事实上，在过去的12个月里，地球和太空中发生了大量令人兴奋的粒子活动，我们以听起来更像科幻小说的新闻开始对2024年的粒子物理学故事进行综述。

没有任何物质比反物质更易挥发，反物质是由与正常物质质量相等但电荷相反的粒子组成的，所以反质子和正电子就是电子的反物质版本。将一个反物质粒子与一个正常物质粒子放在一起，它们会在能量爆发中瞬间相互湮灭。

在科幻小说中，反物质通常被描述为一种无与伦比的动力源，可以驱动星际飞船并作为炸弹引爆。事实上，事实证明，在不与正常物质接触和湮灭的情况下移动反物质是一个挑战，但欧洲核子研究中心的科学家们认为他们现在终于找到了一种方法，更重要的是，他们正在对其进行测试。

2024年11月26日发表在《自然》杂志上的一篇报告描述了两组研究人员如何竞争成为第一个移动反物质的团队，希望最初将反质子运送到欧洲核子研究中心作为概念验证，然后最终将粒子带到数百英里外的杜塞尔多夫海因里希·海涅大学的一个专门实验室，在那里可以更仔细地研究其神秘的性质。为了移动反物质，研究小组建造了从超导磁体产生电磁场的容器，将反物质固定在真空中，而不会接触到任何东西。

反物质既稀缺又昂贵，而且不能简单地随意制造。虽然太空中有反物质——正如我们将要看到的，它以宇宙射线的形式造访我们——但在地球上，科学家们只能产生价值约200亿分之一克的反物质。制造一克需要数万亿美元。因此，在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）上分享我们能制造的少数反物质粒子是下一个最好的事情。

总而言之，我们可能不会很快准备好建造反物质驱动的航天器，但运输它将使物理学家能够挖掘反物质的秘密，包括为什么宇宙中的反物质如此之少。

粒子加速器中产生的大多数反物质粒子都相当简单：反质子、正电子、反氚和反氦——诸如此类。然而，在纽约相对论重离子对撞机（RHIC）和大型强子对撞机的实验中，科学家们今年成功地创造了反物质的“超”粒子。

hyper是hyperon的缩写。考虑一个粒子，如质子，它由三个更小的粒子组成，称为夸克。一个质子有两个“上”夸克和一个“下”夸克（这些名字只是为了区分不同类型的夸克；它们并没有真正的上下之分）。相反，一个中子是由一个上夸克和两个下夸克组成的。相比之下，超子具有一种称为“奇怪”夸克的夸克，与上下夸克并列。当超子被掺入常规原子核时，这些原子核会比常规原子核重。此外，还有反物质版本。

今年早些时候，研究人员在RHIC成功制备了反超氢-4，其中含有一个反质子、两个反中子和一个反超子。然后，几个月后，大型强子对撞机的ALICE（大型离子对撞机实验）仪器检测到了一种更重的反粒子——由两个反质子、一个反中子和一个反超子组成的反超氦-4。抗高氢氢素-4和抗超氦-4是实验室中有史以来产生的最大质量的反粒子。

物理学家发现，RHIC和LHC的重粒子碰撞形成了这些反超粒子，产生了等量的物质和反物质。这听起来可能并不奇怪——直到我们环顾宇宙，看到一个充满正常物质而几乎没有反物质的宇宙。为什么宇宙在大爆炸中制造的物质比反物质多是一个谜——如果两者完全对称，那么两者的数量不应该相等吗？尽管如此，这种不对称似乎是一件好事。如果你还记得，等量的正常物质和反物质会完全相互湮灭，使宇宙充满湮灭释放的能量光子。

这意味着没有恒星，没有行星，也没有生命。

通过产生等量的物质和反物质，RHIC和LHC的实验只是加深了宇宙中物质-反物质不对称的奥秘，以及为什么大爆炸更倾向于物质而非反物质。尽管如此，我们正在慢慢接近真相。

粒子湮灭以反氦形式产生反物质的图示图片来源：欧洲核子研究中心。（图片来源：ALICE合作的Janik Ditzel）

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