当奇异反物质撞上质子：BESIII观测到微观世界的“终极烟花秀”

你有没有思考过，为什么组成所有物质的原子核总是带正电，核外的电子总是带负电？在宇宙中，有没有和这些原子电荷相反的微观粒子？

事实上，在自然界中，还真的有这一类和我们身边的原子电荷全相反的粒子。根据狄拉克在近一百年前提出的理论，每一种基本粒子都有一个电荷相反、自旋相同的反物质粒子。比如带负电的电子，其反物质粒子就是带正电的正电子。这些反物质粒子的设想在上个世纪三十年代初就在实验中得到了证实。

而当物质和反物质相遇时，却不会上演什么温情故事，而是会“砰”的一声发生湮灭。这不仅是自然界最彻底的能量释放方式，更是微观世界里最绚烂的“烟花”——质量瞬间转化为能量，并产生出一系列全新的粒子。

近日，利用北京正负电子对撞机上的北京谱仪III探测器，中国科学家首次清晰“拍下”了一种罕见过程——反物质粒子“反Λ重子”与普通质子碰撞湮灭的瞬间，并精确测量了其中产生的粒子种类和数量。相关成果已发表在国际顶级期刊《物理评论快报》上。

在粒子物理的世界里，像质子、中子这样的粒子，都是由一些更小的“积木”组合而成的。这些更为基本的积木，包括了“上夸克”和“下夸克”这些组成了质子、中子的普通积木，还包括一些性格古怪的积木，比如“奇异夸克”。这种“奇异夸克”积木自带一种叫“奇异数”的隐藏属性。凡是沾了它的粒子（比如K介子、Λ超子），都变得神神秘秘。比如，这些带有奇异数的粒子无法单独产生，它们在强相互作用中必须成对或伴随其他奇异粒子一同产生。并且，这些粒子一旦产生，寿命都异常长，大约在10-10秒量级，远长于一般强相互作用粒子的寿命。因此，对它们的研究，是理解微观世界的重要途径。

而今天故事的主角——反Λ（Lambda）重子，就是一个由“反上夸克”、“反下夸克”和“反奇异夸克”拼成的小结构。平时它隐藏在高能对撞产生的粒子碎片中，一闪而过。而最近，在北京的正负电子对撞机（BEPCII）上，北京谱仪III（BESIII）探测器的科学家们完成了一次精妙的“伏击”。他们巧妙地利用了探测器束流管内用来降温的冷却油作为反应靶，捕捉到了当反Λ重子向外飞出时，撞上冷却油中静止的质子（氢原子核）而产生的“新配方烟花”。

图一 “微观伏击：反Λ粒子与质子碰撞并湮灭的过程示意图”

在微观世界里，这些粒子不是拖着尾巴飞行的流星，而是一闪而过的电信号。科学家要做的事情，有点像是在烟花表演结束后，仅凭空气中残留的一点余烬，反推出刚刚到底放了哪几种烟花。

此前，在对撞机上的研究多集中在“常规物质版”烟花（如正反质子的湮灭）的性质。但反Λ重子因为携带“奇异夸克”，它的湮灭过程一直是个迷。通过对海量数据的筛选，BESIII实验团队首次观测到了两种复杂的“烟花配方”：

1. 反Λ + 质子 → ‭‬‭‬K+π+π-π0

2. 反Λ + 质子 → ‭‬‭‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‭‬‭‬K+π+π-π0π0

这些名字听起来像化学公式的粒子组合，代表的正是反物质湮灭后的“残骸”。科学家不仅算出了它们出现的概率（截面），还发现这场烟花秀并不是杂乱无章的。

比如，在研究这场烟花爆炸的过程中，他们捕捉到了一个名为的“共振态”。它就像是烟花完全绽放前短暂形成的一个发光球体，存在时间极短，却揭示了湮灭反应背后的内在逻辑。

图二“湮灭产物的‘身份图谱’：BESIII首次观测到的反应信号全景”

对这类“微型烟花”的分析不仅是一场微观世界的智力游戏，它更是连接着宇宙的过去与未来的线索。

首先，它关系到粒子物理里最基础、也最难的一种作用力——强相互作用。你可以把它想象成一支看不见的“强力胶”，专门负责把夸克牢牢粘在一起，组成质子、中子，以及各种各样的粒子。问题在于，这种“胶”在简单体系里我们还算了解，但一旦掺入“奇异夸克”这种“古怪积木”，它的表现就开始变得难以预测。

反Λ正是这样一个“带奇异味”的复杂粒子。通过观察它和质子湮灭时产生的那些粒子组合，科学家可以反过来检验现有的理论是否真的描述对了这种复杂情况下的相互作用。换句话说，这就像是在用一场精心设计的“烟花实验”，来测试我们对微观世界规则的理解到底准不准确。

更有意思的是，这件事还不只是实验室里的“解谜游戏”。在宇宙中，存在一些我们难以想象的极端环境，比如中子星内部，在那里的物质会被压缩到极为夸张的密度。在这样的环境下，普通的质子和中子可能已经不再是唯一的“主角”，带有奇异夸克的粒子也可能会参与其中，甚至会改变物质的整体性质。

正因如此，如果我们能理解粒子反Λ和质子在实验室中是怎么相互作用的，那我们就有机会理解在那些遥远天体内部到底在发生什么。所以，对这类看似“微不足道”的粒子反应的研究，是在为理解宇宙中最极端的状态奠定基础。

与此同时，在大型粒子对撞实验中，反物质并不是稀客，而是成批产生的“副产品”。这些反物质粒子在穿过探测器材料时，会不断与普通物质发生相互作用、甚至湮灭。理解这些过程，也在帮科学家们“校准仪器”，让我们更好地理解微观世界中发生的一切。

结语

回到最初的那场微观世界的“烟花”。

这一次，BESIII不仅看到了它炸开的样子，还开始读懂它背后的规律。对于一个此前几乎没有实验数据的体系来说，这相当于我们第一次拿到了奇异反物质湮灭的“高清底片”。

在粒子物理的世界里，这些烟花燃尽的余晖，往往才是点燃未来希望的星火。（实验物理中心沈宏飞 陈缮真）

该研究得到国家重点研发、国家自然科学基金委重点项目和中科院支持，感谢北京正负电子对撞机运行团队和高能物理研究所计算中心和国家高能物理科学数据中心为数据采集和分析做出了重要贡献。成果文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/x17s-xsgn

来源：中国科学院高能物理研究所微信公众号

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