科学家首次测量到反物质间相互作用力

2016年03月11日

 


图1:STAR探测器内探测到的两个反质子-反质子关联示意图


 

图2:反质子间相互作用的示意图

由来自12个国家的52家科研单位组成的STAR合作组近日在美国布鲁克海文国立实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)上,首次测量到反质子-反质子间的相互作用力,这对理解反物质的构成起到了至关重要的作用。论文于11月5日凌晨在线发表在《自然》(Nature)杂志上。此次对反物质间相互作用的首次定量测量,标志着人们对反物质的研究进入了新的篇章,即从定性的观测到定量相互作用研究的跨越,将对人们理解反物质的形成机制起到关键作用。

在通常环境下,反物质的产额极为稀少,在此之前一直未有实验涉及反物质间相互作用力的定量测量。位于纽约长岛的RHIC利用两束接近于光速的金核对撞来模拟宇宙大爆炸,产生类似于宇宙大爆炸之后几个微秒时刻的物质形态。这种物质是由基本粒子,即夸克、胶子组成的等离子体新物质形态,它具有大约是太阳中心25万倍的极端高温。然后,夸克-胶子等离子体迅速冷却产生大约等量的质子与反质子,这为研究反质子间的相互作用提供了极佳的机会。这种相互作用力使得核子或者反核子能够相结合成原子核或者反物质原子核。研究最简单的反质子之间的相互作用力可为以后研究更为复杂的反物质原子核间的相互作用提供决定性的基础。

研究人员利用金核-金核碰撞中产生的丰富的反质子,通过反质子-反质子动量关联函数测量,并扣除通过其他粒子衰变而来的次级反质子与其他反粒子关联的污染,精确地构建了反质子-反质子关联函数。然后,他们结合量子多粒子关联理论,提取出反质子-反质子的有效力程和散射长度这两个基本作用参数。研究表明,在实验精度内,反物质间的相互作用与正物质并没有差别。也就是说,反质子-反质子之间的强相互作用存在着吸引,它们可以克服由于同号(负电荷)的反质子-反质子之间的库伦排斥而结合成反物质原子核。这项研究成为检测正反物质对称性的又一种新方式。

该研究对于理解自然界中物质-反物质不对称性提供了新的基础。人类所认识的自然界充满了普通物质,而反物质却非常稀少,这是一直以来困扰科学家的一个难题。在宇宙大爆炸初期,夸克、反夸克是成对产生的,然后演化到现在,在物质空间缺失了数量上的对称性。而这项研究指出,反物质之间的作用与正物质作用是对称的。也就是说,在相互作用的层次上,反物质作用仍然满足“电荷共轭-空间反射-时间反演(CPT)”对称性。因此,要彻底解决正反物质粒子产额不对称这个难题,需要科学家全面地研究正反物质的产生、相互作用及其演化机制。因此,反物质研究有着广阔的前景。

中国是STAR合作组的主要成员,中国科学院上海应用物理研究所研究员马余刚是中国合作组召集人,中方成员单位包括中科院上海应用物理研究所、中国科学技术大学、华中师范大学、清华大学、山东大学、中科院近代物理研究所等。在此次反物质间作用力的首次测量过程中,马余刚及其领导的课题组与美国布鲁克海文国家实验室研究员唐爱洪等合作,从2012年初提出研究思路到历时3年多进行艰难的数据分析,做出了关键性贡献。其中,马余刚的博士研究生张正桥完成了全程数据分析。

在反物质课题的系统性研究上,马余刚及其课题组成员分别对2010年和2011年先后发现的首个反物质超核(反超氚)和迄今最重的反物质原子核(反氦4)做出了关键性贡献。相关论文分别发表在《科学》(Science)和《自然》(Nature)杂志上。前者入选2010年度“中国十大科学进展”,后者以“2011年中国科学家具有影响力的部分工作”入选中科院出版的《科学发展报告》。

该研究得到了国家“973”项目“高温高密核物质形态研究”、国家自然科学基金委创新群体“重离子物理”和国际重大合作项目等的资助。(原标题:中外科学家首次测量到反物质间相互作用力)