反物质的观测与相互作用探索[《科学》杂志].pdf

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Fitch）在研究K介⼦子衰变的实验中发现了CP（正反粒⼦子和左右镜像反演的联合对称性，C为电荷）对称的破坏，这 项发现再次震惊了物理学界。它不仅意味着时间反演T在微观世界中也可能是不对称的，⽽而且对回答宇宙中反物质去哪了的 难题提供了线索。 虽然CP对称有可能破坏，然⽽而在量⼦子场论中，物理量在电荷C、宇称P、时间T⼀一起反向变换后是不变的，这就是著名 的CPT对称理论，它是由洛伦兹不变推导⽽而来的，⽬目前为⽌止所有的实验结果均⽀支持CPT对称理论。研究反物质是验证CPT对 推荐新闻 称或者寻找CPT破缺现象的⼀一个重要⽅方向，同时能够为宇宙中正反物质反对称性提供重要线索。因此，寻找反物质并研究反 《科学》杂志2016年1期⺫⽬目... 物质的性质是科学家关⼼心的重⼤大问题。 《科学》杂志2015年4期⺫⽬目... 《科学》杂志2015年3期⺫⽬目... 巨眼凌霄：哈勃空间望远... 在探索反物质过程中，⼤大型科学装置有发射到太空中研究宇宙射线的卫星，有埋⼊入极深地下的探测器，也有先进的⼤大型 加速器。在过去⼏几⼗〸十年中，反物质的研究取得了巨⼤大的成就，其中包括：美国布鲁克⿊黑⽂文国家实验室相对论重离⼦子对撞机螺 旋管径迹探测器（RHIC-STAR）合作组观测到反超氚核和反氦4核，欧洲核⼦子研究中⼼心（CERN）在实验室捕捉到反氢原⼦子 并研究其性质，国际空间站上的阿尔法磁谱仪⼆二期（AMS-０２）新数据证实了正电⼦子通量“反常”增加等现象。近来，位于 试论中国⾼高等教育的合理... CERN的⼤大型强⼦子对撞机重离⼦子碰撞（LHC-ALICE）实验展⽰示了对反粒⼦子轻核的精确测量，RHIC-STAR实验⾸首次测量了反 突破胡焕庸线：新型城镇... 质⼦子-反质⼦子的相互作⽤用。 《科学》杂志2014年4期⺫⽬目... 反物质研究的历史回顾 《科学》杂志2014年3期⺫⽬目... 反物质概念的提出最早可追溯到1898年舒斯特（A. Schuster）投给英国《⾃自然》周刊的⼀一篇⽂文章（Potential Matter — A Holiday Dream），作者在⽂文章中⼤大胆提出了反物质存在的可能性。随着量⼦子⼒力学的迅猛发展，1928年英国物理学家狄拉克 ⺴⽹网站统计 ⽂文章总数：2512 待审⽂文章：63 ⽂文章阅读：3342171 ⽂文章专题：2 注册⽤用户：3313⽂文章总数： 2512 待审⽂文章：63 ⽂文章阅读：3342171 ⽂文章专题：2 注册⽤用户：3313 在解释狄拉克⽅方程负能解的问题时，正式引出正电⼦子概念，预⾔言了正负电⼦子对的湮没和产⽣生。1930年，中国科学家赵忠尧在 实验上发现重核对于硬光⼦子的吸收系数远⼤大于克莱因-仁科公式（Klein-Nishima formula），后来发现这是因为反应中产⽣生了 正负电⼦子对，这是正电⼦子观测的第⼀一个间接信号。1932年，美国物理学家安德森（C. D. Anderson）在宇宙射线中发现了正 电⼦子，这是⼈人类历史上发现的第⼀一个反粒⼦子，打开了反物质研究的⼤大门。1959年,塞格雷（E. G. Segrè）和张伯伦（O. Chamberlain）等在美国伯克利的回旋加速器上发现了反质⼦子。1965年，由丁肇中领导的研究⼩小组在布鲁克⿊黑⽂文国家实验室 的交变梯度质⼦子同步加速器（BNL-AGS）上成功观测到反氘核。 1971年,苏联科学家观测到了反氦3，他们同时研究了反质⼦子、反氘、反氦3的产⽣生截⾯面与质量数的关系，发现反物质原 ⼦子核的产⽣生截⾯面随着质量数的增加会相应地减少若⼲干个数量级（产⽣生截⾯面同时与体系的温度有关）。因此，同样实验条件 下，要观测到下⼀一个更重的反物质核，统计量需要增加上万倍。这也是为什么直到2011年反氦4才在位于布鲁克⿊黑⽂文国家实 验室的RHIC-STAR实验中被发现[1]。在反氦4发现之前，同样由RHIC-STAR实验组在2010年发现了由反质⼦子、反中⼦子和反Λ 组成的反物质超氚核[2]，这也是⼈人类所观测到的⾸首个反物质超核。反超氚核包含了第⼆二代夸克成员：反奇异夸克，它是⼈人 类发现的⾸首个包含奇异夸克的反物质核。在上述反物质发现的历程中， 1936年与1959年的诺贝尔物理学奖分别授予了正电 ⼦子和反质⼦子的发现者。 由于⾃自然条件下反物质产额极为稀少，迄今对反物质性质的研究还⽐比较少，2015年RHIC-STAR合作组⾸首次报道了反质 ⼦子－反质⼦子间相互作⽤用的测量结果[3]，此项研究标志着⼈人们对反物质研究进⼊入了新的篇章。 相对论重离⼦子对撞机上的 反物质研究进展 相对论重离⼦子对撞机（Relativistic Heavy Ion Collider，RHIC）位于纽约长岛布鲁克⿊黑⽂文国家实验室。RHIC是当前国际 上核物理研究的⼤大科学装置,其利⽤用两束接近于光速的⾦金原⼦子核的对撞来模拟宇宙⼤大爆炸，对撞能量可以⾼高达200吉电⼦子伏， 产⽣生了类似于宇宙⼤大爆炸之后初期的物质形态。这种物质是由基本粒⼦子，即夸克、胶⼦子组成的等离⼦子体新物质形态，又称为 QGP（quark-gluon plasma），它具有极⾼高温，约是太阳中⼼心温度的25万倍。这种新物质形态冷却后，会产⽣生丰富的粒⼦子与反 粒⼦子，提供了反物质发现和研究极佳的场所。 RHIC装置刚开始运⾏行时有四个⼤大型探测器，分别是BRAHMS, PHENIX, PHOBOS 和STAR探测器。这四个探测器在设计 上各有特点，⼀一⽅方⾯面是基于物理上的相互补充，同时也能相互检验探测到的物理结果。其中STAR（Solenoidal Tracker at RHIC）探测器位于RHIC环形对撞机的6点钟位置。STAR是具有覆盖中⼼心快度区，全⽅方位⾓角接收度，由不同探测⼦子系统构成 的⼀一个⼤大型复合探测器，它具有优异的多径迹事件重建能⼒力，能够很好地鉴别各种正、反粒⼦子。STAR探测器主要部件包括 时间投影室（TPC）、重味径迹探测器、飞⾏行时间谱仪（TOF）、电磁量能器等。来⾃自⼗〸十⼏几个国家近五⼗〸十家单位的六百多名 科学家与研究⽣生，围绕STAR探测器和相关的物理分析构成了⼀一个⼤大型STAR国际合作组。中国合作单位包括中国科学院上海 应⽤用物理研究所（以下简称上海应物所）、中国科学技术⼤大学、清华⼤大学、华中师范⼤大学、中国科学院近代物理研究所和⼭山 东⼤大学等。其中上海应物所主要关注寻找反物质原⼦子核以及研究其相关性质，有关研究⼈人员在反物质的系列研究成果中均起 到了核⼼心领导作⽤用。 反超核的发现 在粒⼦子物理学中，超⼦子是指⾄至少含有⼀一个奇异夸克的重⼦子，它由强相互作⽤用产⽣生，却通过弱相互作⽤用衰变。在宇宙演 化、中⼦子星内核构成中，超⼦子起到了关键性的作⽤用[4]，含有超⼦子的原⼦子核即为超核。⽬目前，Λ超核和Σ超核是⼈人们发现的两 类超核。最轻的超核由1个质⼦子、1个中⼦子和1个Λ超⼦子组成，称为超氚核。⼈人们通过测量超⼦子－核⼦子间相互作⽤用，可以得到 研究中⼦子星内部奇异物质状态⽅方程的初始参数。从近期⼏几个实验组的实验测量，发现超氚核的寿命甚⾄至低于⾃自由Λ粒⼦子寿命, 低于200⽪皮秒。由于其短寿命，⽬目前实验上只能通过其末态衰变粒⼦子重构来找到超核信号。2010年，RHIC-STAR实验组研究 ⼈人员分析了上亿次⾦金核-⾦金核碰撞事例，通过重构反氦3和π介⼦子衰变道，发现了第⼀一个反超核信号：反超氚核[2]。 在发现反超氚核的⼯工作中，上海应物所的STAR实验⼩小组分析了海量的事例样本，从STAR探测器中探测到总共约2168个 反氦3信号和5810个氦3信号。STAR探测器可以⾮非常有效地鉴别反氦3和低动量区间的π介⼦子。将同个碰撞事件中这些反氦3和 带正电的π介⼦子的能动量信息进⾏行组合，最后得到它们的不变质量分布，然后通过STAR探测器精确地鉴别出反超核衰变的次 级顶点，去除⼤大部分组合背景。其次，分析组⼈人员通过准确的探测器接收度模拟，可以得到衰变径迹间最佳⼏几何筛选条件。 其中：在衰变点位置反氦3和π径迹间的距离要⼩小于1厘⽶米；反超氚核径迹和碰撞顶点的距离⼩小于1厘⽶米，其衰变长度需⼤大于 2.4厘⽶米；π介⼦子径迹和碰撞顶点的距离⼤大于0.8厘⽶米等。通过这些筛选条件之后，得到了在不变质量为2.991吉电⼦子伏的信号 区间有明显的峰。另外，通过运⽤用旋转背景分析⽅方法，可以消除残留的背景噪声。然后在不变质量分布中的2.991吉电⼦子伏 的信号区间的计数中，减去拟合后得到的组合背景噪声，最后得到反超氚核的信号，总共约为70个。作为⽐比较，STAR实验 组同时测量到了超氚核信号，进⼀一步验证了反超氚核的存在。相同的分析⽅方法得到的超氚核信号约为157个[2,5]。在STAR发 现反超氚核之后，欧洲核⼦子研究中⼼心的⼤大型强⼦子对撞机LHC实验中也发现了反超氚核[6]。 反氦4的发现 反超氚核的发现表明RHIC是⾮非常适合研究反物质的场所，在2009年RHIC对撞机升级后，其亮度提⾼高了约10倍，采集的 碰撞事例数⼤大⼤大增加了。2011年，研究⼈人员通过分析STAR主探测器中的时间投影室，以及中国STAR合作组研制的桶形飞⾏行 时间探测器采集到的接近⼗〸十亿次⾦金核-⾦金核对撞产⽣生的数据，从约5000亿个带电粒⼦子⾥里找到18个反氦4信号[1,7]。反氦4核是 由两个反质⼦子和两个反中⼦子组成的稳定束缚态，带有两个单位的负电荷，质量约为质⼦子质量的4倍，是⽬目前⼈人类发现的最重 的反物质核。STAR的主探测器时间投影室（TPC）能够完美地捕捉到带电粒⼦子的飞⾏行径迹，通过分析粒⼦子在投影室中每单 位路径的电离能量损失，可对粒⼦子进⾏行初步鉴别。飞⾏行时间谱仪（TOF）则能够精确测量粒⼦子的质量。TOF探测系统主要由 中美STAR合作组合作完成，探测器硬件和相应的物理部分得到了国家⾃自然科学基⾦金委、国家科技部、中国科学院的联合资 助，硬件部分由STAR中国组研制完成。美国能源部资助TOF探测器的电⼦子学和集成。TOF于2009后安装在STAR探测器上， 覆盖在TPC外⾯面。TOF由4032块多⽓气隙电阻板室（MRPC）构成的120条TOF样条（tray）组成，它具有卓越的时间分辨能 ⼒力，从⽽而具有很⾼高的粒⼦子质量分辨能⼒力，因此在反氦4的鉴别过程中发挥了关键作⽤用。另⼀一⽅方⾯面，STAR合作组发展的“⾼高阶 触发”(HLT)技术对反氦4的发现也起到了关键性作⽤用。STAR HLT是⼀一个主要基于软件技术的触发系统，能够对碰撞产⽣生的 粒⼦子进⾏行在线鉴别，从⽽而对碰撞事例进⾏行在线挑选。在这个发现中，STAR-上海应物所研究组直接承担实验数据分析，为反 氦4的发现做出了重要贡献[7-9]。反氦4的发现使⼈人类在反物质发现领域又迈进了⼀一步。 更重的稳定反物质原⼦子核在对撞中的产⽣生率是反氦4的百万分之⼀一，因此未来更重的反物质的发现或许需要等待很长的 时间。由丁肇中先⽣生领导的AMS-０２已于2011年5⽉月发射升空并已安装在国际空间站上，其中⼀一个实验⽬目的是寻找宇宙的反 物质，⽽而STAR的这次测量结果将为AMS-０２提供⼀一个定量的背景估计值。 从定性到定量研究：反物质相互作⽤用的⾸首次测量 ⽬目前为⽌止，科学家们已经探测到了多种粒⼦子对应的反粒⼦子，即做了许多定性的观测。然⽽而对反物质的定量研究却很少。 事实上，在此之前⼀一直未有实验涉及反物质间相互作⽤用⼒力的测量。RHIC上产⽣生的夸克-胶⼦子等离⼦子体迅速冷却后能产⽣生约等 量的质⼦子与反质⼦子，在近5亿次的⾦金核-⾦金核对撞中产⽣生了约50亿个反质⼦子，这为研究反质⼦子间的相互作⽤用提供了极佳机会。 同时利⽤用STAR探测器中的时间投影室和时间飞⾏行谱仪，可以使探测到的反质⼦子纯度达到99％以上。以上海应物所研究⼈人员 为主的团队利⽤用⾦金核-⾦金核碰撞中产⽣生的丰富的反质⼦子，测量了反质⼦子-反质⼦子动量关联函数，并⾸首次定量地提取反质⼦子-反质 ⼦子相互作⽤用参数。 1956年，在⼀一个开创性的实验中，汉伯⾥里-布朗（R. Hanbury-Brown）和特威斯（R. Q. Twiss）利⽤用两个光⼦子之间关联测 量了星体的⾓角径，在⼀一个光⼦子被⼀一个探测器探测到的同时，第⼆二个光⼦子被另外⼀一个探测器探测到的概率表现出对被探测体的 横向距离的⼀一种关联。 后来在很多⾼高能核碰撞实验中，⼈人们测量了在能量动量空间中两个全同粒⼦子的强度关联，这种从⼀一个扩展源发出的全同 粒⼦子的时空或者说动量的关联被称作HBT效应[10]，此效应是研究反质⼦子间相互作⽤用的基础。如果反质⼦子－反质⼦子间不存在 任何相互作⽤用和量⼦子⼒力学效应，那么得到的关联函数就会是恒等于1的⼀一条直线。如果相互作⽤用是相互吸引的，那么关联函 数就会⼤大于1，反之则⼩小于1。考虑到部分反质⼦子是由反Λ超⼦子衰变⽽而来，这部分反质⼦子⽆无法从探测到的反质⼦子样本中直接区 分出来，因此在得到的关联函数的基础上需要扣除来⾃自反Λ-反质⼦子，反Λ-反Λ关联的影响，精确地构建反质⼦子-反质⼦子关联 函数。通过分析碰撞中⼼心度为30%～80%的⾦金核-⾦金核碰撞数据，科学家们得到了质⼦子-质⼦子和反质⼦子-反质⼦子的关联函数。两 者结构⾮非常相似，在相对动量⾮非常⼩小时，关联函数⼩小于1。这主要是由于质⼦子对或者反质⼦子对之间的库伦相互作⽤用引起的。 同时它们的关联函数在相对动量的⼀一半处（k*≈0.02吉电⼦子伏）都有⼀一个峰，这是由质⼦子间（反质⼦子间）相互吸引的S波相互 作⽤用引起的。质⼦子间关联函数与反质⼦子间关联函数的⽐比值很好地位于1周围，表明反质⼦子－反质⼦子相互作⽤用与质⼦子－质⼦子相 互作⽤用是对称的。 同时，上海应物所合作组结合量⼦子多粒⼦子关联理论，⾸首次测得反质⼦子-反质⼦子的相互作⽤用的散射长度（f0）和有效⼒力程 （d0）这两个描述强相互作⽤用的基本作⽤用参数。其中 f0=［7.41±0.19（stat.）±0.36（sys.）］飞⽶米， d0=［2.14±0.27（stat.）±1.34（sys.）］飞⽶米。 f0是低能情况下S波散射振幅，直接与散射截⾯面的⼤大⼩小相关。另外，散射长度的符号直接决定了两核⼦子系统是否存在束缚 态，若f0＞0则可以存在束缚态，f0＜0则不存在束缚态。有效⼒力程d0则描述了强相互作⽤用的有效范围。若对于⼀一个简单的⽅方 势阱来说，势阱的宽度对应相互作⽤用的有效⼒力程。 此次测量的结果很好地解释了反核⼦子为何能结合成更为复杂的反物质原⼦子核。研究最简单的反质⼦子之间的相互作⽤用⼒力可 以为以后研究更为复杂的反物质原⼦子核间的相互作⽤用提供基础。在实验精度内，反质⼦子－反质⼦子的散射长度和有效⼒力程与质 ⼦子－质⼦子的是相等的，也就是说反物质间的相互作⽤用与正物质并没有差别。根据CPT对称理论，物质和反物质除电荷外其他 所有性质应该是⼀一样的，这项研究从物质相互作⽤用的⾓角度验证了CPT对称理论，成为检测正反物质对称性的又⼀一种新的⽅方 式。在⾸首次测量反物质相互作⽤用的研究中，STAR-上海应物所⼩小组在从研究思路的提出到历时三年的艰难数据分析过程中， 均起到了决定性的作⽤用。相关论⽂文发表在英国《⾃自然》周刊上[3]。 其他CPT对称性检验实验 以往的实验已经在很⾼高精度上测量质⼦子与反质⼦子的质量差别，测量更重的轻核与其对应的反物质质量，对于理解强相互 作⽤用和CPT对称性有很⼤大意义。2015年，LHC-ALICE合作组⾸首次精确测量了氘核与反氘核以及氦3与反氦3质量的差别。实 验采⽤用铅核－铅核对撞，对撞能量⾼高达2.76太电⼦子伏。实验表明，氘核与反氘核在10-4精度内，氦3与反氦3在10-3精度内， 质量是没有差别的。此次实验从质量⾓角度验证了CPT对称性[11]。 除了反物质原⼦子核的寻找与研究外，科学家也尝试了合成反物质原⼦子的系列研究。2010年，欧洲核⼦子研究中⼼心的研究⼈人 员在实验室成功捕捉了反氢原⼦子，并维持其状态达172毫秒，⼀一年之后，他们把维持状态时间提⾼高到了1000秒[12-13]。科学 家们想通过研究反氢原⼦子能谱来检验CPT对称原理。通过对⽐比正反氢原⼦子的量⼦子属性和精细结构，以及原⼦子能谱的测量结 果，若能发现任何差别，都将预⽰示着全新的物理。⽬目前实验主要测量了反氢原⼦子的电荷和质量等参数。同时，关于反氢原⼦子 引⼒力的精确测量也是检验基本物理学规律的重要实验。 ⾼高空宇宙射线反物质研究 除了实验室研究外，对⾼高空宇宙射线的测量是科学家寻找反物质的另⼀一个途径。AMS-０２在2011年升空后，于2013年 发布了其⾼高精度实验数据，实验结果表明正电⼦子通量在10吉电⼦子伏之后出现反常增加，这引起了科学家极⼤大的兴趣。宇宙⼤大 爆炸初期⽣生成的正反物质，可能会瞬间湮没并产⽣生⼤大量光⼦子，进⽽而可能产⽣生⾼高能正负电⼦子对。⽽而现在宇宙射线中观测到的⾼高 动量正电⼦子通量的反常增加是否会是宇宙中的暗物质反应产⽣生的呢？⼈人们期待AMS-０２后续的实验数据能给出答案。除此 之外，中国刚刚发射成功的太空暗物质探测卫星“悟空”，也能得到⼤大量的⾼高能正电⼦子，甚⾄至反物质、暗物质的信息。 从最初预⾔言反物质存在，到反物质的发现，以及现在对反物质性质的研究，加深了⼈人类对物质世界的理解。现在⼀一个重 要的实验⽅方向是观测反物质的各项性质，从⽽而寻找物质和反物质不对称性的蛛丝马迹和物理起源。从反物质⾓角度研究CPT对 称性也是以后探索的⼀一个重要的⽅方向，将为⼈人类认识宇宙的物质构成提供重要的线索。未来任何正物质和反物质差别的发现 都将预⽰示着物理学新的突破。由于正反物质会发⽣生湮没，将质量完全转化为能量，也许未来反物质可以⽤用来作为星际旅⾏行的 动⼒力，甚⾄至可以⽤用来做成反物质物质，500克反物质的威⼒力将超过氢弹。当然，⽬目前⼈人类只能在⼤大型实验装置中产⽣生少量的 反物质，未来的反物质应⽤用之路还很漫长。 ［本⽂文相关⼯工作得到科技部973项⽬目（2014CB845401）、国家⾃自然科学基⾦金委“重离⼦子物理”创新群体项⽬目（11421505）、国 际重⼤大合作项⽬目（11220101005）等资助。］ [1] Agakishiev H, STAR Collaboration，et al. 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