中國科大高能核物理團(tuán)隊在反物質(zhì)超氫-4核發(fā)現(xiàn)中作出重要貢獻(xiàn)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高能核物理團(tuán)隊與蘭州近代物理研究所合作，在RHIC-STAR國際合作重離子碰撞實驗中首次發(fā)現(xiàn)了一種新反物質(zhì)超核——反超氫-4核，這是迄今實驗上發(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實驗繼發(fā)現(xiàn)反超氚核、反氦4核以來在反物質(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（下）

反物質(zhì)和普通物質(zhì)的不對稱性是現(xiàn)代物理學(xué)的一個基本問題。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)？這仍然是一個謎。1931年安德森正電子的發(fā)現(xiàn)證實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)致在實驗上發(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，演變?yōu)楝F(xiàn)今的世界。運行在美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子加速器RHIC可以將兩束重原子核（例如金核）加速到每核子100GeV的能量，并使其對撞，從而可以在碰撞瞬間產(chǎn)生幾萬億度的高溫火球，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核由一個反質(zhì)子、兩個反中子和一個反Lambda超子組成。研究團(tuán)隊在相對論重離子加速器RHIC的STAR實驗上，在66億個重離子對撞事例中找到了約16個反超氫-4核，并首次測量了其壽命，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)一步驗證了正反物質(zhì)在壽命這一內(nèi)稟屬性上的對稱性。反超氫-4核是目前實驗上觀測到的最重的反物質(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)對稱性的探索方面又邁出了重要一步。

中國科大高能核物理團(tuán)隊張一飛教授、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)、粒子重建效率計算方面作出了重要貢獻(xiàn)。團(tuán)隊主導(dǎo)研制的基于MRPC技術(shù)的飛行時間探測器TOF，極大拓展了STAR實驗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，中國科大高能核物理團(tuán)隊在第一個反物質(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僅僅多了一個反中子，實驗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，近年來團(tuán)隊還在超氚核與超氫-4核的壽命測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是基于美國布魯克海文國家實驗室相對論重離子對撞機（RHIC）上STAR實驗的大型國際合作組，由來自14個國家74個單位的700多位科研人員組成。該項研究受到了國家自然科學(xué)基金委、科技部等單位的經(jīng)費資助。