中外科學(xué)家首次測量到反物質(zhì)間相互作用力

由中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理所研究員馬余剛與美國布魯克海文實驗室研究員唐愛洪領(lǐng)銜的STAR合作組的中外科學(xué)家，在位于紐約長島布魯克海文國立實驗室的相對論重離子對撞機（RHIC）上，首次測量到反質(zhì)子-反質(zhì)子間的相互作用力。中國是STAR合作組的主要成員，馬余剛研究員是中國合作組召集人，中方成員單位包括中科院上海應(yīng)用物理研究所、中國科技大學(xué)、華中師大、清華大學(xué)、山東大學(xué)、中科院近代物理研究所等。上海應(yīng)物所馬余剛研究員及其領(lǐng)導(dǎo)的課題組，與美國布魯克海文國家實驗室的唐愛洪研究員等合作，從2012年初的研究思路開始提出，歷時3年多的反復(fù)實驗和數(shù)據(jù)分析，完成了反物質(zhì)間作用力的首次測量。馬余剛研究員課題組的博士研究生張正橋完成了全程數(shù)據(jù)分析。2015年11月5日，這項重要研究成果在線發(fā)表于《自然》雜志上。

在通常的環(huán)境下，反物質(zhì)的產(chǎn)額極為稀少，在此之前一直未有實驗涉及反物質(zhì)間相互作用力的定量測量。位于紐約長島的美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機（RHIC）利用兩束接近于光速的金核對撞來模擬宇宙大爆炸，產(chǎn)生類似于宇宙大爆炸之后幾個微秒時刻的物質(zhì)形態(tài)。這種物質(zhì)是由基本粒子，即夸克、膠子組成的等離子體新物質(zhì)形態(tài)，具有太陽中心250,000倍左右的極端高溫。隨后，夸克-膠子等離子體經(jīng)急速冷卻，產(chǎn)生了大約等量的質(zhì)子與反質(zhì)子，這為研究反質(zhì)子間的相互作用提供了極佳的機會。這種相互作用力使得核子或者反核子能夠相結(jié)合成原子核或者反物質(zhì)原子核，研究最簡單的反質(zhì)子之間的相互作用力可為以后研究更為復(fù)雜的反物質(zhì)原子核間的相互作用提供決定性的基礎(chǔ)。

研究人員利用金核-金核碰撞中產(chǎn)生的豐富的反質(zhì)子，通過反質(zhì)子-反質(zhì)子動量關(guān)聯(lián)函數(shù)的測量，并扣除了通過其他粒子衰變過來的次級反質(zhì)子與其他反粒子關(guān)聯(lián)的污染，精確地構(gòu)建了反質(zhì)子-反質(zhì)子關(guān)聯(lián)函數(shù)。并結(jié)合量子多粒子關(guān)聯(lián)理論，提取出反質(zhì)子-反質(zhì)子的有效力程和散射長度這兩個基本作用參數(shù)。研究表明，在實驗精度內(nèi)，反物質(zhì)間的相互作用與正物質(zhì)并沒用差別。也就是說，反質(zhì)子-反質(zhì)子之間的強相互作用存在著吸引，它們可以克服由于同號（負電荷）的反質(zhì)子-反質(zhì)子之間的庫倫排斥而結(jié)合成反物質(zhì)原子核。這項研究成為檢測正反物質(zhì)對稱性的又一種新的方式。

人類所認識的自然界充滿了普通物質(zhì)，而反物質(zhì)卻非常稀少，這是一直以來困擾科學(xué)家的一個難題。在宇宙大爆炸初期，夸克、反夸克是成對產(chǎn)生的，演化到現(xiàn)在，在物質(zhì)空間缺失了數(shù)量上的對稱性。而這項研究又指出，反物質(zhì)之間的作用與正物質(zhì)作用是對稱的。也就是說，在相互作用的層次上，反物質(zhì)作用仍然滿足“電荷共軛-空間反射-時間反演(CPT)”對稱性。因此，要徹底解決正反物質(zhì)粒子產(chǎn)額不對稱的這個難題，需科學(xué)家全面研究正反物質(zhì)的產(chǎn)生、相互作用及其演化機制。

此次對反物質(zhì)間相互作用的首次定量測量標志著人們對反物質(zhì)的研究進入了一個新的篇章，為自然界中物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性的研究奠定了新的基礎(chǔ)，即從定性的觀測到定量相互作用研究的跨越，對人們理解反物質(zhì)的形成機制起到關(guān)鍵的作用。

在反物質(zhì)課題的系統(tǒng)性研究上，馬余剛研究員及其課題組成員，分別對2010年和2011年先后發(fā)現(xiàn)的首個反物質(zhì)超核（反超氚）和迄今最重的反物質(zhì)原子核（反氦4）做出了關(guān)鍵性貢獻。相關(guān)論文分別發(fā)表在《科學(xué)》（Science 2010）和《自然》雜志（Nature 2011）上。前者入選2010年度“中國科學(xué)十大進展”，后者以“2011年中國科學(xué)家具有影響力的部分工作”入選中科院出版的 “科學(xué)發(fā)展報告”。

該研究得到了國家973項目“高溫高密核物質(zhì)形態(tài)研究”、國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體“重離子物理”和國際重大合作項目等的資助。