中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)高能核物理團(tuán)隊(duì)與蘭州近代物理研究所合作,，在RHIC-STAR國(guó)際合作重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)了一種新反物質(zhì)超核——反超氫-4核,，這是迄今實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的最重的反物質(zhì)超核。研究成果以“Observation of the antimatter hypernucleus anti-hyperhydrogen-4” 為題,，于8月21日在線發(fā)表于《自然》雜志上,。這是STAR實(shí)驗(yàn)繼發(fā)現(xiàn)反超氚核、反氦4核以來(lái)在反物質(zhì)探索領(lǐng)域的又一次重大突破,。
圖：重離子碰撞產(chǎn)生反物質(zhì)超氫-4核示意圖（上）,；反物質(zhì)超氫-4核不變質(zhì)量信號(hào)（下）
反物質(zhì)和普通物質(zhì)的不對(duì)稱性是現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)基本問題。我們生活的世界和現(xiàn)今的宇宙中為何絕大多數(shù)的物質(zhì)都是正物質(zhì),？這仍然是一個(gè)謎,。1931年安德森正電子的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了狄拉克方程反物質(zhì)的猜想。此后科學(xué)家們相繼發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子,、反中子,，反氘核等等。越重結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的反物質(zhì),，在自然界中的產(chǎn)率就越低,，且呈指數(shù)下降，每增加一個(gè)反核子（質(zhì)量數(shù)A+1）,，其產(chǎn)率就下降約1000倍,，這導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)發(fā)物質(zhì)極其困難。人們猜想在宇宙“大爆炸”的初期,，極端高溫高密度的條件下,，可能存在與正物質(zhì)等量的反物質(zhì)，但由于絕大多數(shù)正物質(zhì)與反物質(zhì)發(fā)生湮滅,，并且隨著宇宙膨脹溫度降低,，約百億分之一的正物質(zhì)存活下來(lái)，演變?yōu)楝F(xiàn)今的世界,。運(yùn)行在美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子加速器RHIC可以將兩束重原子核（例如金核）加速到每核子100GeV的能量,，并使其對(duì)撞,，從而可以在碰撞瞬間產(chǎn)生幾萬(wàn)億度的高溫火球，被人們稱為“小爆炸”,，以此模擬宇宙“大爆炸”初期的環(huán)境，為發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)創(chuàng)造了良好的條件,。
反超氫-4核由一個(gè)反質(zhì)子,、兩個(gè)反中子和一個(gè)反Lambda超子組成。研究團(tuán)隊(duì)在相對(duì)論重離子加速器RHIC的STAR實(shí)驗(yàn)上,，在66億個(gè)重離子對(duì)撞事例中找到了約16個(gè)反超氫-4核,，并首次測(cè)量了其壽命，發(fā)現(xiàn)與普通超氫-4核的壽命在誤差范圍內(nèi)一致,，進(jìn)一步驗(yàn)證了正反物質(zhì)在壽命這一內(nèi)稟屬性上的對(duì)稱性,。反超氫-4核是目前實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的最重的反物質(zhì)超核。它的發(fā)現(xiàn)和性質(zhì)研究,，使人類在反物質(zhì)及正反物質(zhì)對(duì)稱性的探索方面又邁出了重要一步,。
中國(guó)科大高能核物理團(tuán)隊(duì)張一飛教授、博士生李東升作為該論文的主要作者參與了相關(guān)物理分析,，在發(fā)展基于卡爾曼濾波方法的粒子衰變拓?fù)渲亟P(guān)鍵技術(shù),、粒子重建效率計(jì)算方面作出了重要貢獻(xiàn)。團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)研制的基于MRPC技術(shù)的飛行時(shí)間探測(cè)器TOF,，極大拓展了STAR實(shí)驗(yàn)上帶電粒子的鑒別能力,，也為此次反超氫-4核的發(fā)現(xiàn)提供了末態(tài)衰變產(chǎn)物鑒別的關(guān)鍵作用。值得一提的是,，中國(guó)科大高能核物理團(tuán)隊(duì)在第一個(gè)反物質(zhì)超核——反超氚的發(fā)現(xiàn)中也作出了重要貢獻(xiàn),，相關(guān)成果發(fā)表SCIENCE, 328 (2010) 5974上。相比反超氚,，反超氫4僅僅多了一個(gè)反中子,，實(shí)驗(yàn)上的尋找難度就增大了很多，又經(jīng)十四年才得以發(fā)現(xiàn),。此外,，近年來(lái)團(tuán)隊(duì)還在超氚核與超氫-4核的壽命測(cè)量中作出了重要工作，相關(guān)成果發(fā)表在Phys. Rev. Lett. 128 (2022) 202301上,。
RHIC-STAR是基于美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)（RHIC）上STAR實(shí)驗(yàn)的大型國(guó)際合作組,，由來(lái)自14個(gè)國(guó)家74個(gè)單位的700多位科研人員組成。該項(xiàng)研究受到了國(guó)家自然科學(xué)基金委,、科技部等單位的經(jīng)費(fèi)資助,。
相關(guān)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07823-0
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07823-0
（物理學(xué)院、核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,、科研部）
