面对着一望无际的天空，我们曾无数次发问，宇宙有多大？它从哪里来？它是怎么产生的？这一系列的重大问题，不仅是哲学家所关心的，也是物理学家所探究的。为此，历史上曾提出了多种假设。这其中，宇宙大爆炸学说是现代宇宙学的主流学说，它认为宇宙起源于约150亿至200亿年前的一次大爆炸，之后逐渐演化、发展、膨胀，直到了我们今天这个物质世界。然而，我们今天所处的状态也只是宇宙演化的一个阶段。面对如此美妙的理论，我们不禁会问，早期的宇宙是什么样的呢？它和我们今天所处的状态一样吗？是不是那时候有很多新奇的物质呢？我们又怎么去探测它？

相对论重离子对撞机

随着科学技术的迅速发展，现代高能重离子加速器上开展的核物理实验可以为研究宇宙早期物质形态提供一种有效途径。位于美国布鲁克黑文国家实验室的相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy Ion Collider，RHIC)是当前国际上一个主要的核物理研究的大科学装置，该装置有四个国际实验组，其中之一的螺旋径迹探测器(Solenoidal Tracker at RHIC，STAR)实验组有较多的中国科研单位参与，这些单位主要包括中国科学院上海应用物理研究所、中国科学技术大学、清华大学、华中师范大学、中国科学院近代物理研究所和山东大学等。 

　　所谓STAR探测器，是一个具备大接收面积、多径迹事件重建能力的、由不同探测子系统构成的一个大型探测器复合装置。该探测器主要部件包括时间投影室、桶型飞行时间探测器、电磁量能器等，其中的桶型飞行时间探测器是由中国国家自然科学基金委、中国科学院和国家科技部等共同资助，并由STAR中国合作组研制完成的。STAR的主要科学目标是寻找被科学家认为的可能大量存在于宇宙大爆炸早期的新物质形态，即夸克-胶子等离子体(quark-gluon plasma，QGP)，并研究极端高温、高密下的强相互作用物质的演化动力学 ^[1]。RHIC的第一期已运行了10年，产生了一大批激动人心的科学结果，有多方面的证据支持QGP的存在^[1]。

夸克-胶子等离子体

夸克是组成物质的最小单元，夸克与夸克之间通过色场相互作用，胶子是夸克间作用的传递子，就如光子之于电磁相互作用。奇怪的是，自然界中没有观察到单个独立的夸克，也就是说，常态下夸克是禁闭的，如禁闭在质子中的三个轻夸克。理论物理学家认为，在宇宙大爆炸的初期，因为物质密度和温度都非常高，夸克禁闭被打开，从而夸克能自由自在、无拘无束地在较大的尺度内运动。这是一种新的物质形态，即夸克-胶子等离子体，它大量存在于宇宙大爆炸初期。然而，如何在实验中探测QGP呢？QGP信号又会以怎样的形式表现在末态强子观测量上呢？通过多年的努力，物理学家认识到，可测量强子、尤其是主要产生于核-核碰撞早期的多奇异强子的椭圆流观测量表现出介子-重子分类行为是一个直接的QGP信号^[1]。

（1）2000亿电子伏的金核+金核碰撞中的可测量强子的椭圆流参数v₂随横向动量p_T的分布函数；（2）核修正因子R_CP随p_T的分布函数   图中，v₂=<cos2j>，表征发射粒子在动量空间的各向异性程度，即碰撞火球是圆球形向外膨胀的，还是椭圆球形等形状向外膨胀的。它和系统的压力梯度、温度等参数相关，通过测量v₂，能够提供和系统状态方程相关的信息。R_CP是对心碰撞的粒子产额和周边碰撞的、在归一到各自碰撞中心度两体碰撞数之后的产额比率，是测量中心碰撞产额压低的直接实验手段：如果RHIC中心碰撞和周边碰撞的物理特性一致，即没有形成致密物质，这个比率应该为1；如果中心碰撞相对于周边碰撞有新的物理，即形成致密物质，部分粒子在穿过致密物质中被吃掉了，这个比率将小于1，小于1的程度和致密物质的体积、密度相关。^[2] 

RHIC的核-核碰撞实验数据显示：大量产生于核碰撞早期的含有两个奇异夸克的f介子的椭圆流参数和K介子的椭圆流参数比较接近，和L重子的差别比较大； f介子核修正因子分布函数也表述了相同的信息：和其他介子的核修正因子分布函数归在一组，和重子的差别明显，符合介子-重子归类律。这说明在RHIC碰撞中，已经建立起了夸克-胶子自由度，这是形成QGP的直接信号，也是RHIC-STAR一期观测到的主要结果之一，其中有很多工作是STAR中国组完成的^[1]。

在众多解释RHIC椭圆流的理论模型中，流体动力学模型能非常成功地描述数据^[1]。通过进一步系统性的研究，发现RHIC上形成的系统接近于理想流体，其剪切黏滞系数和熵密度的比率（一个表征系统接近于理想流体的程度的物理量）非常低，接近1/4p。从弦论理论出发，发现已知的大量强耦合系统的黏滞系数和熵密度的比率不应该小于1/4p^[3]。这就是说，RHIC中形成的QGP物质的耦合非常强，这与早期理论上认为的RHIC将制造出弱耦合的夸克-胶子等离子体相反。

值得指出的是，刚刚在欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上运行的质心能量为27万亿电子伏(2.7太电子伏)的铅核-铅核的对撞中，科学家也观测到了带电强子具有很大的椭圆流^[4]。这个最新的实验数据也说明了，即使在更热密的LHC的强作用物质中仍然是理想流体状的夸克-胶子等离子体！

反超氚核发现

RHIC上撞出一个迷你宇宙，也产生了很多奇特粒子。对于具备大接收面积、多径迹事件重建能力的STAR探测器来说，是寻找这些奇特物质的理想场所。 自STAR实验开始，就有科学家致力于奇特粒子的寻找，包括曾经引起广泛关注的五夸克（pentaquark），虽然最终实验上还没有观测到。还有关于奇异子（strangelet）的寻找^[5]。另一个重要进展是在2010年4月，STAR实验组对外界宣布：他们探测到了迄今最重的反物质原子核，同时也是第一个反超核：由一个反质子、一个反中子和一个反L超子所组成的反超氚核^[6]。而就在这项重要的科学发现中，中国STAR合作组做出了突出贡献。

反物质概念由英国物理学家狄拉克于1931年因为狄拉克方程负能解问题而首次提出，后经科学家的理论和实验验证而被大众所接受。在此过程中有几个关键的里程碑事件：1932年安德森（C.D. Anderson）在宇宙射线中发现正电子；1955年塞格雷(E. G. Segrè)和张伯伦(O.Chamberlain)通过伯克利的同步稳相加速器把质子加速到62亿电子伏，打到铜靶上，发现了反质子；1956年，考克(B.Cork)等人利用反质子轰击质子，在湮没过程中观察到了中子和反中子；1958年，有人通过p介子束使核乳胶记录到反L超子；接着，阿尔瓦雷茨(L.W.Alvarez)用氢泡室发现了反S粒子^[7]……从此，反物质概念深入人心。

          反物质发现时间简图 

奇怪的是，为什么自然界中充满了人们肉眼看得见的普通正物质，却没有看到反物质呢？宇宙中有反物质吗？如果有，它们以何种形式存在呢？理解正反物质不对称性的深刻机理是现代物理学的一个基本问题。现代物理学研究反物质的主要方式指向高空，如直接向约4万米高处发射气球探测器的BESS实验（Balloon-borne Experiment with a Superconducting Spectrometer）^[8]；或者向国际空间站发射大型磁谱仪，如阿尔法磁谱仪（AMS）实验^[9]，寻找宇宙射线中的反物质原子核。若能在宇宙射线中找到反氘、反氦3、甚至反α，将是宇宙空间反物质研究的一个重大发现。比如，有物理学家大胆设想，假设在宇宙射线中找到反碳原子，则将是宇宙充满反物质的一个直接信号。直到现在，科学家还没有直接从宇宙射线中观察到反物质信号^[8,9]。

另一方面，借助于高能粒子加速器，科学家能够在实验室产生和研究反物质，这方面的工作主要集中在欧洲核子研究中心和美国费米实验室的反氢原子的研究^[10,11]，以及近来美国布鲁克黑文国家实验室的反超氚核探测^[6]。这些实验主要通过测量物质和反物质本征物理量，包括质量、寿命等可能存在的细微差别来验证电荷-宇称-时间(charge-parity-time，CPT)守恒原理。 

反超氚核研究进展及应用前景 

RHIC-STAR报道的反超氚核事例利用了2004年和2007年STAR探测器采集到的海量事例样本，是从上亿个质心能量为2000亿电子伏的金核-金核碰撞

探测器中的飞行轨迹   STAR探测到其末态衰变粒子反氦3和π介子，从而重构出反超氚核信号。

　　产生反超氚核的本征事例中反超氚核信号在RHIC-STAR

中找到的。中国科学院上海应用物理研究所的研究人员与国际STAR合作组充分利用了该实验组大接收面积时间投影室 (time projection chamber，TPC) 突出的粒子分辨本领，通过反氦3和p介子衰变道，经过严格的背景分析总共找到70个反超氚核本征事例。借助于TPC出色的多径迹记录能力，同时观测到157个超氚核事例。反超氚核和超氚核的质量在实验误差范围内相互符合，超氚核的测量与历史上已有的测量相一致。还从本征事例样本中测量了反超氚核和超氚核的寿命，发现它们和自由L超子的寿命接近。反超氚核和超氚核的比例在误差范围内和反氦3和氦3的比例一致^[6]。 

因为RHIC产生的系统类似于宇宙大爆炸初期的形态，所以研究RHIC系统中反物质的产生截面及其形成机制，有助于深化人们对反物质的认识，也给科学家在宇宙中直接寻找反物质提供第一手宝贵数据。对于STAR测量到的数据，发现含反奇异夸克的反超氚核和具有相同质量数的反氦3的产额相当，预示着宇宙大爆炸初期，奇异夸克在相空间充分分布，处于平衡态。这是QGP形成的另一个积极信号。探测到QGP并且定量地测量其物理化学属性，可以帮助我们充分理解宇宙演化过程及动力学。

反奇异夸克物质可能也是宇宙早期的物质形态之一，这是一个有趣的重要的信息。天文学家认为超新星、中子星的内核中奇异数可能不为零，那么这种普遍存在于宇宙大爆炸早期的奇异夸克物质也可能大量存在于中子星的内核中。超子-核子作用势是描述超核形态的关键物理量。对超子-核子相互作用势的精确测量，有助于科学理解中子星的内部物质状态形成。依赖于不同的超子-核子作用势，中子星的内核可能充满了超子，也可能是奇异夸克物质，或者是K介子凝聚态^[12]等。 

STAR实验还系统地测量了质子、氘、氚、氦3、超氚核及其反物质原子核的产额，发现实验数据符合广义统计组合模型计算^[6]。这样，就能根据已有的数据，预算出更重反物质原子核的产额，从而设计出合适的实验和探测方法。这就为在广度上研究反物质的产生机理，为反物质的利用迈出重要的一步。

反物质的实际应用想法普遍见于科幻小说中，最常见的是利用反物质作为宇宙飞船的燃料。这是因为反物质与普通物质湮没时释放出巨大能量，具体说，1克反物质储存的能量是90万亿焦耳，这可比燃烧1克汽油放出的能量高出20亿倍，也比1克核燃料发生反应时释放的能量高出成千上万倍。这个诱人的应用前景引起了科学家的注意，包括美国宇航局在内的一些专家已经在从事这方面的前沿研究，但是进展非常缓慢。原因主要有两方面，其一是去哪里寻找反物质？既然宇宙中找不到反物质，只能自己去制造它。借助于传统加速器技术来产生反物质是一个普遍认可的方法，但是其效率极低，而且造价非常昂贵，还没有到实际应用的阶段。其二是反物质储存问题，即使到遥远的将来，可以理想地制造出反物质，怎么储存它将会是摆在科学家面前的另一个关键问题。当前反超氚核的发现及其后续研究无疑为反物质应用提供了宝贵的信息。

RHIC对撞机上还有很多非常有意义的成果，RHIC四个实验组的白皮书里有详细总结^[1]。接下来，RHIC对撞机的重离子束流亮度将增强、探测器性能在升级、数据获取速度提高之后的海量统计数据收集将使得我们能够更好地定量描述QGP性质，能够在实验室精确测量反物质。定性研究反物质产生机制及其和普通物质的对称性破缺是未来的一个方向。与此同时，欧洲核子中心的大型强子对撞机上，科学家们能利用更高能量的重离子对撞，这也许将是研究QGP及更高质量数反物质形成的理想装置。另外，不久前由CERN反氢原子实验组获得的突破性进展是激动人心的事件^[10,11]，在反氢原子捕捉上的技术突破为反物质的利用迈出了坚实的一步。（原载于《科学》 作者：马余刚  陈金辉）