中外科學家發現首個反物質超核

　　開創了反奇異反核物質研究的先河

　　中國科學院上海應用物理所陳金輝博士與美國布魯克海文實驗室(BNL)許長補研究員及其他“螺旋管徑跡探測器”(STAR)合作組的科學家合作，近日在布魯克海文實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)上，首次發現了一種可能大量存在于宇宙“嬰兒期”的反物質超核——反超氚核，這打開了核素圖新維數的大門，開創了反奇異反核物質研究的先河。

　　“這是迄今為止發現的最重的反物質原子核，也是第一個含有反奇異夸克的反物質原子核。”研究結果已在多個國際會議上作邀請報告，正式文章發表在《科學》(Science)雜志上，并被選為亮點(Highlight)文章于3月4日在《科學快訊》(Science Express)上在線快速發表。

　　中科院上海應用物理研究所課題負責人馬余剛研究員介紹說，俗稱“重氫”的氚原子的原子核中有三個“姐妹”：一個帶正電的質子和兩個中性的中子。可“反超氚”原子核中卻變成了“三兄弟”：一個帶負電荷的反質子、一個嵌有反奇異夸克的反超子、一個反中子。與現存于自然界的氚相比，反超氚核的壽命短得不可思議，只有200皮秒(1皮秒=1萬億分之1秒)。科學家只能通過它衰變之后的產物，來推斷出它的存在。

　　德國亥姆霍茲國家研究中心聯合會副主席、資深理論物理學家Horst Stoecker教授評價說：“這個實驗發現對我們了解物質可能會有前所未有的幫助。反超氚的發現打開了核素圖新維數的大門：從常規物質世界到反物質和反超核物質世界。即便在幾年前，這都被認為是不可能辦到的實驗。”

　　該研究對于理解自然界中物質反物質不對稱性也有直接意義。我們的周圍充滿了普通物質，而反物質卻非常稀少，這是什么道理呢?在宇宙大爆炸初期，夸克、反夸克是成對產生的，怎么演化到現在人類生存的物質空間就丟失了對稱性呢?回答這個問題需要科學家全面地研究物質，特別是反物質的產生及其演化。位于美國紐約州長島上的BNL-RHIC，產生了一個高溫、高密并且凈重子數密度接近于零的夸克—膠子等離子物質，它是科學家研究反物質產生及其演化的理想場所。

　　當前的研究表明，RHIC環境中反物質核子產額和其普通物質含量相當，比率非常接近單位1。在當前RHIC研究的環境中，反物質產生符合廣義上統計組合(Coalescence)物理機制，這將可以驗證一些新奇的關于核物質結構的科學想法，例如法蘭克福高等研究所(FIAS)創始人、著名核理論家Walter Greiner教授提出的反物質可直接從真空中激發;對于在宇宙射線中尋找新物理，例如暗物質，也有直接的指導意義。

　　該研究也將豐富科學家對于夸克—膠子等離子體新物質的認識。部分理論物理學家認為，重子數、奇異數守恒量之間的關聯是區分夸克膠子等離子體和強子氣體的一個理想探針。超核由超子和核子融合產生，其超子和核子組分在相空間上非常相似，是實驗上研究重子數—奇異數關聯的直接手段。馬余剛課題組初步計算支持了上述觀點，結果發表在國際學術期刊《物理學快報，B輯》(Physics Letters B)上。

　　為了探尋宇宙起源的早期物質狀態，一項名為“螺旋管徑跡探測器”的國際合作項目在美國布魯克海文實驗室的相對論重離子對撞機上已進行了10年，目前有來自全球的500多位科學家參與其中。一年多前，中科院上海應用物理研究所陳金輝博士與該實驗室許長補研究員等中外科學家合作，在上億次金原子核進行高能“對對碰”的海量數據中開始尋找反物質超核的證據。

　　每兩個金核對撞，都會產生上千個粒子。“我們分析了海量數據后，從中找到了70次蹤跡，才追蹤到了反超氚核。”陳金輝解釋說，宇宙起源時，物質和反物質總是成對產生，這些只能存在于極端高溫、高密度狀態下的物質，到了宇宙演化后期就難以發現了。“或許在一些中子星、超新星的內部會大量存在，但這種環境人類很難深入了解。”

　　這個奇特的“反超氚核”的發現令科學家興奮不已。原來，組成我們常見的物質世界的元素，好比數字世界中的正數，而反物質就好比負數，它們都處在平面幾何的那個二維平面中，而反超核物質則超出了這個平面，正是這項發現打開了物質元素世界“立體幾何”研究的大門。

　　STAR中方合作組成員包括中國科學院上海應用物理研究所、中國科學技術大學、清華大學、華中師范大學、中國科學院近代物理研究所、山東大學和中國科學院高能物理研究所。以上工作得到中國國家自然科學基金委重大國際合作項目、中科院知識創新工程項目和科技部等的聯合資助。