中国科学家发现：最重反物质超氢-4！有望解开宇宙形成之谜

2024-08-26 11:46世界奇闻

我们生活在一个充满神秘的宇宙中，物质是我们所熟知的一切。但在这浩瀚的宇宙中，还有一种难以捉摸的存在——反物质。物质和反物质粒子在许多方面相似，除了电荷相反之外，它们的质量、寿命和相互作用几乎完全相同。当物质和反物质相遇时，它们会湮灭，释放出巨大的能量。根据现有理论，在宇宙大爆炸后的早期阶段，物质和反物质应该是等量存在的。如果这一理论成立，那么今天的宇宙应该是一片空无，但显然某种机制打破了这种平衡，使得我们今天的宇宙充满了物质，这背后的原因至今仍是科学探索中的未解之谜。为了揭开这一谜团，科学家们不断探索反物质的各种形式。最近，中国科学院近代物理研究所及其合作伙伴参与的STAR国际合作组织取得了令人瞩目的突破。

他们对60亿次原子核对撞产生的粒子轨迹进行了深入研究，最终发现了一种全新的反物质核——反超氢-4。这种新型的反物质核由四种反物质粒子组成，是迄今为止探测到的最重的反物质核。反超氢-4由一个反质子、两个反中子和一个反Lambda超子组成。由于包含不稳定的反Lambda超子，反超氢-4在飞行仅仅几个厘米后就会发生衰变。研究团队通过分析约66亿个重离子碰撞事件的数据，最终获得了约16个反超氢-4的信号。这些发现不仅验证了正反物质性质的对称性，还为我们理解宇宙中物质和反物质的不对称性提供了新的线索。这项研究成果已发表在《自然》杂志上。本期内容我们就来聊聊这个话题。

STAR实验是美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机（RHIC）上的一个大型国际合作项目，旨在通过重离子对撞研究强相互作用和夸克-胶子等离子体，进而探讨宇宙诞生时的物理过程。在这个实验中，科学家们让重离子以接近光速的速度碰撞，创造出一个极端的能量和温度环境。这种环境类似于宇宙大爆炸后的一瞬间，，物质和反物质粒子在这样的环境下被短暂地生成，为研究这些基本粒子提供了宝贵的机会。从2010年开始，STAR团队已经在RHIC对撞中观测到了多个反物质核的存在。那一年，他们首次探测到了反超氚，这是第一个含有奇夸克的反物质核，标志着反物质研究的重要突破。随后的2011年，团队进一步突破了反物质的重量级纪录，探测到了反氦-4——一种包含两个反质子和两个反中子的反物质核。这个发现是寻找反物质路上的重要里程碑，然而，最为神秘且令人激动的发现是反超氢-4的探测。

反超氢-4的形成是一个极其罕见的事件，它需要在反氦-4核的基础上加入一个反超子，特别是一个反Λ粒子。这个反Λ粒子需要取代其中的一个质子。为了形成这种反超核，必须同时出现四种粒子：一个反质子、两个反中子和一个反Λ粒子。它们需要在夸克-胶子等离子体的“煮沸汤”中偶然相遇，位置、方向和时间都要精准无误，才能聚集在一起形成短暂的结合态。为了找到反超氢-4，他们研究了反超氢-4的衰变轨迹，这种粒子会衰变成反氦-4核和一种简单的带正电的粒子——π介子。为了重建这些粒子的轨迹，团队借助了先前探测反氦-4核的方法。他们需要精确追溯反氦-4和π介子的轨迹，确定它们是否源自同一个点。这项工作并不简单，因为RHIC对撞中会产生大量的π介子。每一个反氦-4核都可能伴随着成百上千个π介子，为了找出反超氢-4的踪迹，科学家们必须筛选出无数的对撞事件，寻找那稀有的反超核信号。

关键在于识别出特殊的衰变顶点，这是一种特殊的交叉点，意味着反氦-4核和π介子的轨迹在空间中的某个点上相遇，形成了反超氢-4的衰变。为了确保这种顶点的真实性，衰变顶点必须距离对撞点有一定的距离，这样才能确认这些粒子确实源自反超氢-4的衰变，而非随机的背景噪声。团队的努力最终在这片浩瀚的粒子海洋中找到了一线希望。他们成功排除了其他潜在的背景噪声，发现了22个候选事件。在这些事件中，背景噪声的计数为6.4，意味着大约有6个事件可能只是随机噪声。去除背景信号后，科学家们相信他们探测到了大约16个真正的反超氢-4核。该团队还深入研究了反超氢-4的寿命，并将其与正粒子超氢-4进行了对比。这项研究揭示了一个令人振奋的结果——在测量精度的范围内，这两种粒子的寿命没有显著差异。这一发现再一次验证了物质与反物质之间性质的对称性。这个结果至关重要。如果真的观测到了这种对称性的破缺，那将对物理学带来颠覆性的影响。所以，对物理学家而言，对称性依然存在意味着目前物理学的模型是正确的。

反超氢-4的发现为科学家们提供了一个新的研究方向。由于反物质粒子的极端稀有性，探测并确认这些反核的存在具有重要意义。反超氢-4的发现，表明反物质在宇宙早期可能曾经以更加复杂和多样的形式存在。这一发现为理解宇宙中物质与反物质不对称性的机制提供了宝贵的线索。科学家们推测，类似反超氢-4这样的反物质核，可能在宇宙早期扮演了重要角色，通过这些反核的研究，我们或许能更好地理解宇宙为何倾向于物质而非反物质。反物质的发现和研究为我们揭示了宇宙的另一面，但也为我们提出了更多的难题。

我们生活在一个物质的宇宙中，但反物质的存在表明，宇宙的本质远比我们想象的更加复杂和神秘。反超氢-4的发现无疑是这一领域的一个重要里程碑，但它也提醒我们，宇宙中仍然有许多未解之谜等待我们去探索。在未来的科学研究中，物质与反物质之间的关系将继续成为一个重要的研究领域。通过这些研究，我们不仅能够更好地理解宇宙的起源和演化，还可能揭示出一些关于我们自身存在的更深层次的真理。对此，你们怎么认为呢？欢迎大家踊跃讨论，感谢大家观看，我是探索宇宙，我们下期再见。