科學家首次測量到反物質間作用力

由中科院上海應用物理所研究員馬餘剛與美國布魯克海文實驗室研究員唐愛洪領銜的STAR合作組的中外科學家，在位於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，首次測量到反質子—反質子間的相互作用力。 今天凌晨，這項重要研究成果在線發表於《自然》雜誌。

開啓反物質研究新篇章

“這是第一個反質子—反質子作用的直接測量”“是激動人心的反質子相互作用的新結果”，幾位國際審稿專家如是評價。

據悉，這次對反物質間相互作用的首次定量測量，標誌着開啓了反物質研究的新篇章，即從定性觀測到定量相互作用研究的跨越。對人們理解反物質的形成機制起到關鍵的作用。

在通常的環境下，反物質的產額極為稀少，在此之前一直未有實驗涉及反物質間相互作用力的定量測量。位於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)利用兩束接近於光速的金核對撞，模擬了宇宙大爆炸，產生了類似宇宙大爆炸之後數微秒時刻的物質形態。這種物質是由基本粒子，即夸克、膠子組成的等離子體新物質形態，它具有大約相當於太陽中心25萬倍的極端高温。然後夸克—膠子等離子體迅速冷卻產生了大約等量的質子與反質子，這為研究反質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合成原子核或者反物質原子核，研究最簡單的反質子之間的相互作用力可以為以後研究更為複雜的反物質原子核間的相互作用提供決定性的基礎。

研究人員利用金原子核—金核碰撞中產生的豐富的反質子，通過反質子—反質子動量關聯函數的測量，扣除了通過其他粒子衰變過來的次級反質子與其他反粒子關聯的污染，精確地構建了反質子-反質子關聯函數。然後研究結合量子多粒子關聯理論，提取出反質子—反質子的有效力程和散射振幅這兩個基本作用參數。研究表明，在實驗精度內，反物質間的相互作用與正物質並沒有差別。

馬餘剛表示，反質子—反質子之間的強相互作用存在着吸引，它們可以克服由於同號(負電荷)的反質子—反質子之間的庫倫排斥而結合成反物質原子核。“這項研究成為檢測正反物質對稱性的又一種新的方式。”

該研究對理解自然界中物質—反物質不對稱性提供了新的基礎。我們的周圍充滿了普通物質，而反物質卻非常稀少，這是一直以來困擾人類的一個難題。在宇宙大爆炸初期，夸克、反夸克是成對產生的，然後演化到現在，在物質空間缺失了數量上的對稱性。而這項研究又指出，反物質之間的作用與正物質作用是對稱的。在相互作用的層次上，反物質作用仍然滿足電荷共軛—宇稱—時間反演(CPT)對稱性。因此，要徹底解決正反物質粒子產額不對稱的這個難題，需要科學家全面地研究正反物質的產生、相互作用及其演化機制。因此，反物質的研究有着廣闊的前景。

STAR合作組是由來自12個國家的52家科研單位組成，馬餘剛是中國合作組召集人，中方成員單位包括中科院上海應用物理研究所、中國科技大學、華中師大、清華大學、山東大學、中科院近代物理研究所等。