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相对论重离子对撞机上发现首个反物质超核
摘要：我们简单回顾了反物质的研究历史，集中介绍了该领域的最新研究进展：在相对论重离子对撞机上发现的第一个反物质超氚核事件及其物理意义，最后阐述了该发现潜在的广阔应用前景。
关键词：反物质超核（反超氚），反奇异夸克，相对论重离子碰撞
大约80年前,英国物理学家狄拉克首次把反物质概念引入物理学，一开始大家还没有接受。4年后，即1932年安德森在宇宙射线中发现正电子，大家才认识到反物质的存在。接着1955年塞格雷和张伯伦在伯克利实验室发现了反质子，1956年考克等发现了反中子,其它反粒子也在随后的科学实验中被逐渐发现[1]。从此，反物质概念深入人心。原则上，对每个粒子都有其质量相等，电荷相反，自旋相等的反粒子。简言之，物质和反物质是对称的，其所有的性质或是相同或是相反。在这个逻辑下，如果用反质子和反中子代替原子核中的质子和中子的话，就得到一个反原子核。如果再配以反电子，就形成反原子。再用反原子组成反分子，构成反物质。反物质的研究进展激动人心，我们周围是否存在一个反物质世界呢？如果有，怎么探测它呢？过去30年，大量的科学实验尝试在宇宙中寻找反物质信号，包括向天空发射气球探测器[2]，向宇宙空间站发射大型磁谱仪[3]等，但是直到今天，科学家还没有在大自然中观测到反氘核、反氦3核信号[2,3]。
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,研究这个不对称的深刻机理是过去几十年的一个热点课题。借助于现代加速器技术，科学家在实验室成功实现了反氢原子捕捉[4,5]。那么，反奇异夸克核物质呢？位于美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)为这个科学课题提供了探索基地。通过把金核加速到2000亿电子伏特，RHIC对撞出一个迷你宇宙（mini-universe）大爆炸环境，是科学家研究宇宙演化早期物质形态，寻找奇特物质，包括反物质的理想场所。对于反奇异夸克物质的研究，将为科学家研究反物质产生原理提供第一手实验数据。
RHIC上有四个大型国际实验组,其中螺旋管径迹探测器国际实验组RHIC-STAR有多家中国科研单位参与。这些单位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，他们构成了STAR中国合作组。STAR中国组在国家自然科学基金委、国家科技部、中国科学院的支持下，由马余刚研究员、陈宏芳教授和程建平教授牵头，黄焕中教授作为美方协调人，组织中国科学家队伍为RHIC-STAR承担研制了基于多气隙多电阻板室（MRPC）的大型飞行时间探测器，并且在RHIC实验物理作出了一系列出色的工作，详情见STAR第一期白皮书[6]。根据STAR中国组的安排，飞行时间探测器的研制和建设任务主要以中国科大与清华大学为主，物理分析工作主要以中科院上海应用物理研究所和华中师范大学承担，中国科大、清华大学与中科院近代物理所等也有重要参与。本文我们集中简述STAR中国组在反物质探测的最新研究成果。
2010年，RHIC-STAR合作组在反物质探测上取得了重要进展[7]。中国科学院上海应用物理研究所陈金辉、马余刚等与STAR合作组的许长补（美国布鲁克海文国家实验室）等其他中、外方科学家紧密合作，在上亿次金原子核进行高能“对对碰”的海量数据中寻找反物质超核的证据。由于STAR大型时间投影室（Time Projection Chamber）出色的粒子鉴别本领，陈金辉等发展了复杂的数据分析软件，通过了繁琐的数据分析过程，寻找稀有粒子的踪迹。最终，他们通过重构反氦3和p介子的不变质量谱，探测到第一个反超核粒子——反超氚核（如图1所示）。它是由一个反L超子和一个反质子、一个反中子聚合形成的束缚态，质量约为20亿电子伏特，寿命约为200皮秒，是迄今为止科学家们发现的最重的反物质原子核，也是第一个含有反奇异夸克的反物质原子核。反超核的发现打开了核素图新维数的大门，对我们了解物质可能会有前所未有的帮助。理论物理学家认为，反超核等奇特物质可能大量存在于宇宙的婴儿期。这样，在实验室研究反物质，将对深刻理解中子星等星体的构成提供帮助。对于反物质的憧憬，还在于其巨大的应用前景。
图1，从末端（左图）和侧面（右图）看到的反超氚核事件在STAR实验组的主探测器(时间投影室)中的飞行轨迹。图中径迹实线部分为时间投影室记录到的部分，虚线段为延伸到碰撞顶点部分。
反物质应用到实际生活的想法，现在还是在科幻小说阶段，比如说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能释放出巨大能量。具体一点说，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。这个广阔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，但目前进展非常缓慢。主要原因在两方面，其一是我们去哪里找反物质？既然宇宙中找不到反物质，人类只能自己去制造它。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，但是它的效率非常低，造价极其昂贵，还没有到实际应用的阶段。其二是反物质的储存问题，即使到遥远的将来，人类可以理想的制造出反物质，怎么安全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宝贵的信息。
在接下来的几年研究中，STAR中国组的研究人员将即将寻找质量更重的反物质α，并准备在RHIC二期对撞机升级后的海量数据采集中精确地测量反超氚核的产生截面、质量、衰变寿命等关键物理量，尝试精确测量反超氚核和普通超氚核本征物理量的细微差别，研究反超子和反核子的相互作用势。并通过超核产生的能量扫描测量，获得量子色动力学相变临界点的信息。（原载于《中国基础科学》 作者：马余刚 陈金辉）
参考文献
[1] 诺贝尔物理学奖一百年，郭奕玲，沈惠君编著，上海科学普及出版社，2002.8
[2] H. Fuke et al. Search for Cosmic-Ray Antideuterons. Phys. Rev. Lett. 2005, 95 : 081101.
[3] The AMS Collaboration, Search for antihelium in cosmic rays. Phys. Lett. B 1999, 461 : 387-396.
[4] The ALPHA Collaboration, Trapped antihydrogen. Nature 2010, 468: 673-676.
[5] The ATHENA Collaboration, Production and detection of cold antihydrogen atoms. Nature 2002, 419:456-459.
[6] The STAR Collaboration, Experimental and theoretical challenges in the search for the quark-gluon plasma: The STAR Collaboration’s critical assessment of the evidence from RHIC collisions. Nucl. Phys. A 2005, 757:102-183
[7] The STAR Collaboration, Observation of an Antimatter Hypernucleus. Science 2010, 328: 58-62.
Observation of an Antimatter Hypernucleus in Relativistic Heavy-Ion Collider
Yu-Gang Ma Jin-Hui Chen
Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800
Abstract: We briefly introduce the antimatter discovery history, and focus on the recent development in the field: the observation of first antimatter hypernucleus in Relativistic Heavy-Ion Collider. We discuss its physics implication and potential application perspective.
Keywords: antimatter hypernucleus (anti-hypertriton), anti-strange quark, relativistic heavy ion collision
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