撰文：本·特纳                  2024年8月22日

一位艺术家的插图，描绘了由两个金原子核碰撞产生的反超氢-4反物质核。（图片：中国近代物理研究所）

科学家们发现了有史以来探测到的，潜伏在粒子加速器中的最重的反物质核。

反物质重量级，称为反超氢-4，由一个反质子、两个反中子和一个反超子（一种含有奇怪夸克的重子）组成。物理学家在纽约布鲁克海文国家实验室的，相对论重离子对撞机（RHIC）的60亿次碰撞的粒子轨道中，发现了这种反物质的痕迹。

通过研究这种奇怪的粒子，物理学家希望发现物质和反物质之间的一些关键差异，这可能有助于解释为什么我们的宇宙现在充满了物质，因为反物质在时间开始时是等量产生的。研究人员于8月21日在《自然》杂志上发表了他们的发现。

“我们对物质和反物质的物理知识是，除了具有相反的电荷外，反物质与物质具有相同的性质——相同的质量、相同的衰变前寿命和相同的相互作用，”该研究的合著者、兰州大学核物理系和中国现代物理研究所的研究生吴俊林在一份声明中说。“为什么我们的宇宙由物质主导仍然是一个问题，我们不知道完整的答案。”

根据宇宙学的标准模型，大爆炸后，年轻的宇宙是一盆由物质和反物质粒子组成的，翻滚的等离子体肉汤，它们在接触时突然出现并相互湮灭。

理论预测，等离子体汤中的物质和反物质应该完全相互湮灭。但科学家们认为，一些未知的不平衡使得产生的物质多于反物质，从而使宇宙免于自我毁灭。

为了调查造成这种不平衡的原因，这项新研究背后的研究人员，从迷你大爆炸模拟器中产生了反物质粒子。相对论重离子对撞机将数十亿重离子（被剥夺电子的原子核）相互投掷，形成等离子体汤，我们宇宙的原始元素从中短暂出现、结合然后衰变。

为了从等离子体海中找出新的粒子，物理学家们寻找了离子衰变或转化为其他粒子时留下的痕迹。通过追溯数十亿次碰撞事件中这些粒子的轨迹，研究人员发现了大约16个反超氢-4核。

研究人员发现，超氢-4及其反物质对应物反超氢-4似乎都很快消失了。但物理学家没有发现它们的寿命有显著差异，这表明我们描述这两种粒子的最佳模型是正确的。

肯特州立大学博士生、该研究的合著者艾米丽.达克沃斯在声明中说：“如果我们看到违反（这种特殊的）对称性，基本上，我们必须把我们对物理学的很多了解抛到脑后。”

科学家们的下一步将是，比较反粒子及其粒子对立面的质量，他们希望这能揭示一些关于我们物质重的宇宙是，如何形成的线索。