中国科大高能核物理团队在反物质超氢-4核发现中作出重要贡献

发布时间:2024-08-27    点击:364

        中国科学技术大学高能核物理团队与兰州近代物理研究所合作,在RHIC-STAR国际合作重离子碰撞实验中首次发现了一种新反物质超核——反超氢-4核,这是迄今实验上发现的最重的反物质超核。研究成果以“Observation of the antimatter hypernucleus anti-hyperhydrogen-4” 为题,于8月21日在线发表于《自然》杂志上。这是STAR实验继发现反超氚核、反氦4核以来在反物质探索领域的又一次重大突破。

图:重离子碰撞产生反物质超氢-4核示意图(上);反物质超氢-4核不变质量信号(下)

        反物质和普通物质的不对称性是现代物理学的一个基本问题。我们生活的世界和现今的宇宙中为何绝大多数的物质都是正物质?这仍然是一个谜。1931年安德森正电子的发现证实了狄拉克方程反物质的猜想。此后科学家们相继发现了反质子、反中子,反氘核等等。越重结构越复杂的反物质,在自然界中的产率就越低,且呈指数下降,每增加一个反核子(质量数A+1),其产率就下降约1000倍,这导致在实验上发现发物质极其困难。人们猜想在宇宙“大爆炸”的初期,极端高温高密度的条件下,可能存在与正物质等量的反物质,但由于绝大多数正物质与反物质发生湮灭,并且随着宇宙膨胀温度降低,约百亿分之一的正物质存活下来,演变为现今的世界。运行在美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子加速器RHIC可以将两束重原子核(例如金核)加速到每核子100GeV的能量,并使其对撞,从而可以在碰撞瞬间产生几万亿度的高温火球,被人们称为“小爆炸”,以此模拟宇宙“大爆炸”初期的环境,为发现反物质创造了良好的条件。

        反超氢-4核由一个反质子、两个反中子和一个反Lambda超子组成。研究团队在相对论重离子加速器RHIC的STAR实验上,在66亿个重离子对撞事例中找到了约16个反超氢-4核,并首次测量了其寿命,发现与普通超氢-4核的寿命在误差范围内一致,进一步验证了正反物质在寿命这一内禀属性上的对称性。反超氢-4核是目前实验上观测到的最重的反物质超核。它的发现和性质研究,使人类在反物质及正反物质对称性的探索方面又迈出了重要一步。

        中国科大高能核物理团队张一飞教授、博士生李东升作为该论文的主要作者参与了相关物理分析,在发展基于卡尔曼滤波方法的粒子衰变拓扑重建关键技术、粒子重建效率计算方面作出了重要贡献。团队主导研制的基于MRPC技术的飞行时间探测器TOF,极大拓展了STAR实验上带电粒子的鉴别能力,也为此次反超氢-4核的发现提供了末态衰变产物鉴别的关键作用。值得一提的是,中国科大高能核物理团队在第一个反物质超核——反超氚的发现中也作出了重要贡献,相关成果发表SCIENCE, 328 (2010) 5974上。相比反超氚,反超氢4仅仅多了一个反中子,实验上的寻找难度就增大了很多,又经十四年才得以发现。此外,近年来团队还在超氚核与超氢-4核的寿命测量中作出了重要工作,相关成果发表在Phys. Rev. Lett. 128 (2022) 202301上。

        RHIC-STAR是基于美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机(RHIC)上STAR实验的大型国际合作组,由来自14个国家74个单位的700多位科研人员组成。该项研究受到了国家自然科学基金委、科技部等单位的经费资助。

相关链接:https://www.nature.com/articles/s41586-024-07823-0

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07823-0