相对论重离子对撞机上发现第一个反物质超核

2010/03/08 | 【 【打印】【关闭】 | 访问次数:
近日,中科院上海应用物理所核物理研究室马余刚课题组在相对论重离子碰撞的研究上取得了突破性进展。该课题组陈金辉博士与美国布鲁克海文实验室(BNL)许长补研究员及其他STAR合作组的科学家合作,在BNL的相对论重离子对撞机(RHIC)上通过反氦3和π介子衰变道,探测到第一个反超核——反超氚核(如图1所示)。它是一个由反Λ超子和一个反质子、反中子聚合形成的束缚态,质量为 2.991±0.001±0.002 GeV,寿命在200 皮秒左右,和自由反Λ超子的寿命相当。这是迄今为止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,研究结果已在多个国际会议上作邀请报告,发表在Science杂志上(通信作者:陈金辉),并被选为亮点(Highlight)文章于3月4日在Science Express上在线快速发表。

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。该研究分析了将近一亿个质心能量为每核子200 GeV金核+金核碰撞事件,从中找到了将近70个事件。
对于该发现的意义,德国亥姆霍兹国家研究中心联合会副主席,资深理论物理学家Horst Stoecker教授评价说:“This experimental discovery may have unprecedented consequence for our view of the world. Anti-hypertriton pushes open the door to new dimensions in the nuclear chart: from the normal matter to the antimatter world and to the world of anti-hyper-matter – just a few years ago this would have been viewed as impossible.” (这个实验发现对我们了解物质可能会有前所未有的帮助。反超氚的发现打开了核素图新维数的大门:从常规物质世界到反物质和反超核物质世界。即便在几年前,这都被认为是不可能办到的实验。) 在三维核素图(见图2)中,x轴是中子数(N),y轴是质子数(Z),元素周期表就是通过N-Z来排列的;Z轴是奇异数(S),对于自然界中的普通物质来说,它们不带奇异性(S=0)。不过,科学家相信,在中子星,超新星等奇异物质中,可能含有丰富的奇异物质,因此,奇异物质的研究能够加深我们对天体物理的认识。反物质处于这个图表的负方向(N<0,Z<0),新发现的反超氚核,则打开了研究反奇异反核物质的先河。


图2 :三维核素图
该研究对于理解自然界中物质反物质不对称性也有直接意义。我们的周围充满了普通物质,而反物质却非常稀少,这是什么道理呢?在宇宙大爆炸初期,夸克、反夸克是成对产生的,怎么演化到现在人类生存的物质空间了就丢失了对称性呢?回答这个问题需要科学家全面地研究物质,特别是反物质的产生及其演化。位于美国纽约州长岛上的BNL-RHIC,产生了一个高温、高密,并且净重子数密度接近于零的夸克-胶子等离子物质,它是科学家研究反物质产生及其演化的理想场所。当前的研究表明,RHIC环境中反物质核子产额和其普通物质含量相当,比率非常接近单位1。在当前研究的环境中,反物质产生符合广义上统计组合(Coalescence)物理机制,这将可以验证一些新奇的关于核物质结构的科学想法,例如法兰克福高等研究所(FIAS)创始人、著名核理论家Walter Greiner教授提出的反物质可直接从真空中激发;对于在宇宙射线中寻找新物理,例如暗物质也有直接的指导意义。
该研究也将丰富科学家对于夸克-胶子等离子体新物质的认识。部分理论物理学家认为,重子数、奇异数守恒量之间的关联是区分夸克胶子等离子体和强子气体的一个理想探针。超核由超子和核子融合产生,其超子和核子组分在相空间上非常相似,是实验上研究重子数-奇异数关联的直接手段。马余刚课题组初步计算支持了上述观点,结果发表在国际核心期刊Physics Letters B 684 (2010) 224上。
STAR中方合作组成员包括清华大学、中国科学技术大学、中国科学院上海应用物理研究所、华中师范大学、中国科学院近代物理研究所、山东大学和中国科学院高能物理研究所。以上工作得到国家自然科学基金委重大国际合作项目、中科院知识创新项目和国家科技部等的联合资助。
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