科学家创造奇特形式的原子核反物质

在布鲁克海文国家实验室的研究人员最近创造了从来观测到的最重的异域反物质超原子核。

HARD SCIENCE — AUGUST 27, 2024

Don Lincoln

Credit: Big Think

关键要点

在布鲁克海文国家实验室的研究人员用相对论重阳离子对撞机的高能碰撞已经创造了从来观测到的最重的反物质超原子核。

他们产生了氢4 超原子核——以物质和反物质形式——并且发现了它们之间没有显着的差异，支持现有的理论。

这一成就涉及研究超过60 亿次碰撞，贡献到正在进行的宇宙中物质-反物质不平衡的探究。

 给科学家一个世界级的粒子加速器，他们将要研究许多非直觉现象。在他们产生的碰撞中，经典物理学被落在路旁而量子力学统治。物质和反物质以肆意抛弃出现和消失。以自大爆炸以来在宇宙中不常见的粒子和温度出来来玩。复杂的原子核形成并溃散开。

这些现象没有一个能被人眼看到，而所有都是一个最近被布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的一组研究人员完成的成就的部分。他们创造了从来见过的最重的异域反物质超原子核。

这不是容易的，需要大量的步骤来带它。甚至简单地了解他们的成就需要一份步骤的清单——当一起执行时每个困难的而且只是困扰思维的。

异域氢

原子核存在在原子的中心。它们一般包含一个质子和中子的混合物。例外一个氢原子的原子核，它通常由一个单个质子组成。真的，氢的定义属性是只有一个质子的原子核。有两个质子的原子核是氦。

然而，虽然大多数氢由一个单个质子组成，但少数氢原子核包含一个质子和一个中子。这个的名字是氢-2（也叫氘）。在地球上，每6200 个常规氢原子大约有一个氘原子 （0.02%）。类似的，甚至有一种更罕见的有一个质子和两个中子（叫氢 3 或氚）的氢形式。氚原子核构成约地球上的氢的十亿分之一 （10-16%）的十亿分之一。像氢一样，氘是稳定的，而氚以一个12 年的半衰期衰变。

甚至更罕见且没有在自然界中发现的是氢 4，由一个质子和三个中子组成。氢4 已经被在实验室中创造，有一个1.4 x 10^-22 秒的寿命。它通过发射一个中子衰变并变成氚。

夸克

质子和中子对科学不是已知的最小的物体——这个称号属于叫“夸克”的更小物体。有六种已知的夸克类型，都吹捧奇特的名字：上、下、魅、奇、顶和底。只有上夸克和下夸克被发现在质子（两个上夸克和一个下夸克）和中子（一个上夸克和两个下夸克）内。其他夸克仅生存一秒的一个分数，在自然界没有被发现。它们在它开始了后在宇宙中常见持续不到一秒。

夸克被于 1964 年提出，并在 1970 年代发现了验证它们的存在的数据。最初的理论仅提出了三种夸克（上夸克、下夸克和奇夸克）。其它的都被后来发现（魅夸克在 1974 年，底夸克在 1977 年，顶夸克在 1995 年）。

夸克能一起结合三个为一组来形成叫“重子”的粒子。最熟悉的重子是质子和中子。夸克也能以夸克/反物质夸克对成群。这些粒子被称为“介子”。近年来已经观测察到了夸克的其他组合，但这些组合是不常见的，在自然界中没有被见到。

虽然质子和中子是熟悉的重子，但科学家们通过一起结合三个夸克来制造其他重子。一种结合被称为 Λ 或拉姆博达粒子，它由上、下和奇夸克结合组成。拉姆博达重子是不稳定的，仅在 3 x 10^-10 秒内衰变。 许多其他形式的重子已经被在粒子加速器中创造和研究。

 反物质

构成你和我的那种物质只是能存在的物质的一种形式。另一种是一种叫 “反物质”的物质。反物质是一种对普通物质相拮抗的物质。当物质和反物质相遇时它们彼此湮灭，释放巨大量的能量。如果一克物质和反物质被结合，释放的能量可与广岛的原子爆炸比较。

反物质被于 1928 年提出并于 1932 年首次被观测到。观测到的反物质的第一种形式是正电子，它是电子的反物质等价物。正电子有许多就像电子一样的相同属性但有相反的电荷。从那时起，质子 （1955） 和中子（1956） 的反物质版本已经被观测到。已经被观测到大多数已知重子的反物质等价物，包括拉姆博达粒子的反物质版本。

规制反物质的法则被认为与规制物质的法则相同——意味着只要反物质被弄得与物质完全隔离来制造反物质原子是可能的。在完全隔离中，来制造我们从来观测到的任何物质的反物质行星、星系、人和反物质版本是可能的。反氢（一种与一个反物质电子结合的反质子）于 1995 年被首次观测到，反氦原子核于2011 年被观测到。

STAR合作

在布鲁克海文国家实验室的STAR合作用相对论重阳离子碰撞机将原子核加速到非常高的能量并一起碰撞它们。原子核加速的范围跨元素周期表，然而，在这些碰撞中的原子核之间的碰撞约为 200 GeV（或一个相当于约213 个质子的质能的能量）。在这些高能碰撞中，所有极端过程的方式发生，包括拉姆博达粒子的创造以及许多反物质重子。

2010 年，STAR合作研究人员创造了所谓的一个氚超原子核，这意味着一个质子、一个中子和一个拉姆博达粒子。他们还创造了反物质版本（反质子、反中子和反拉姆博达）。在这次最近的结果中，科学家们创造了更重的氢 4 超原子核（质子、两个中子和一个拉姆博达粒子）和它的反物质等效物。 这是从来创造的最高质量的反物质超原子核，有一个约为 3.92 GeV的质量。

为提取信号，科学家们研究了超过 60 亿次碰撞，获得24 个物质氢-4 物质超原子核和 16 个反物质超原子核。

收集的数据是足够强健来研究的，寻找在氢 4 超原子核中的物质/反物质差异。这项研究被尽管我们的理论提示物质和反物质应该以相等的量存在但我们的宇宙完全由物质组成动机。 研究人员假设在早期宇宙中不知怎的物质被一个非常小的量比反物质有利。（假设的过量是十亿分之一）。因此，研究人员往往研究物质和反物质对应物，寻找至于什么创造了这种原始不平衡的线索。

STAR 研究人员报告说在物质和反物质氢 4 超原子核的属性中没有差异。这与预期一致。研究人员继续研究他们的数据，寻找物质和反物质超原子核之间更细微的差异。

https://bigthink.com/hard-science/scientists-create-bizarre-form-of-nuclear-antimatter/