相对论重离子对撞机STAR实验捕获到最重反物质原子核

2011-4-25 11:02 来源: 中国科学院
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  多位中国科学家参加的美国布鲁克海文国家实验室RHIC-STAR国际合作组探测到氦核的反物质粒子——反氦核。这种新型粒子又名反阿尔法粒子,是迄今为止所能探测到的最重的反物质原子核。STAR国际合作组的该研究成果于4月24日在线发表在《自然》(Nature)杂志。

  位于纽约长岛的美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)利用两束接近于光速的金核对撞来模拟宇宙大爆炸,产生类似于早期宇宙的物质形态。这种剧烈的碰撞产生大约等量的夸克和反夸克物质,其中一部分稳定的反物质可以在与正物质湮灭之前在STAR探测器中留下清晰的信号。STAR合作组利用中国科学家主持研制的先进大型飞行时间探测器(TOF)探测到18个反物质氦4原子核的信号(如图1所示)。这种新发现的反氦4和其同位素反氦3的质量均在其期待值附近,图2清楚地显示了通过STAR中国合作组研制的大型飞行时间探测器所测得的带电粒子质量和能量损失的二维图(图2之上、中图),以及带电粒子质量的一维图(图2之下图)。

  反氦4可能是未来很长一段时间内所能探测到的最重反物质原子核,因为下一个更重的稳定反物质原子核产生的可能性是反氦4的百万分之一,以现在的加速器条件很难实现。

  在类似于早期宇宙的条件下,产生和研究反物质是一件非常有意义的事情。宇宙大爆炸之初产生了等量的物质和反物质,而现今所能观测到的宇宙几乎全部是由物质所构成的。什么原因造成了物质和反物质的不对称性,反物质在哪里?这仍是困扰物理学家的一个未解之谜。2011年4月即将发射升空的阿尔法磁谱仪(AMS)将安装在国际空间站上去寻找宇宙的反物质,而STAR的这次测量结果将提供一个定量的背景估计值。

  STAR合作组是由来自12个国家的54家科研单位组成,其中STAR中国合作组成员包括中国科学院上海应用物理研究所、中国科学技术大学、中国科学院近代物理研究所、清华大学、华中师范大学、山东大学等。RHIC的研究基金主要来自美国能源部、多个美国和国际研究机构。由中国国家自然科学基金委、科技部、中国科学院与美国能源部共同出资研制,并于2009年安装在STAR探测器上的“大型飞行时间探测装置”(TOF),在反物质氦4的鉴别过程中发挥了关键作用。

  中美TOF合作项目联系人美国加州大学洛杉矶分校黄焕中教授说:“寻找反物质氦4和其他奇异物质是TOF项目立项的物理目标之一。我们不仅出色完成了硬件装置,而且此发现为实现TOF的物理目标开启了一个很好的开端。”

  上海应用物理所研究员、STAR中国合作组召集人马余刚说,中国科学家队伍在这个重要的科学发现中作出了杰出的贡献。一方面,该发现依赖于中国合作组研制的性能优异的大型飞行时间探测器;另一方面,该发现得益于布鲁克海文国家实验室的物理学家唐爱洪(文章投稿作者)带领的团队利用“高阶触发”技术,使得我们能够在海量的实验数据中实时挑选出含有反物质氦4的碰撞事例。在利用这个技术寻找反氦4的过程中,上海应用物理所博士生薛亮和近代物理所博士生仇浩等作出了突出的贡献。

  国家自然科学基金委副主任沈文庆院士评价说,在人类寻找反物质的艰辛历程中,老一辈的中国科学家在这个领域作出了许多杰出的工作,包括已故科学家赵忠尧院士在1930年观测到了由狄拉克预言的反电子迹象和王淦昌院士领导的研究小组在1960年发现了反西格马负超子等。这次STAR合作组的反氦4重要发现是继去年发现反物质超氚核后的又一具有重要里程碑意义的突破性进展,而在这两个重要的科学发现中我国的核物理学家队伍都起到了极为关键的作用,突显了基于大科学基础研究的国际合作的重要性。

  关于“反物质氦4”的发现是在中国和美国同时公布。该中方新闻的英文版链接是http://english.sinap.cas.cn/ns/es/201104/t20110422_68056.html

图1:STAR主探测器时间投影室和飞行时间探测器的三维图,金黄色的径迹代表一个包含反物质氦4的碰撞事例,红色的径迹代表此事例中的反物质氦4。

图2:上图和中图是通过STAR中国合作组研制的大型飞行时间探测器所测得的带电粒子质量和能量损失的二维图;下图是带电粒子质量的一维图,反物质氦4的质量等于3.73GeV/c2。利用大型飞行时间探测器,可以在10亿次碰撞产生的5000亿条径迹中清晰地分辨出反物质氦4。

图3:STAR合作组的部分人员在中科大赵忠尧先生铜像前合影。左起:李澄(USTC),邵明(USTC),王义(清华大学),刘峰(华中师范大学),许怒(LBNL/CCNU,STAR发言人),陈宏芳(USTC),马余刚(上海应用物理所,STAR中国组召集人),阮丽娟(BNL,TOF运行负责人),汪晓莲(USTC),孙勇杰(USTC),唐泽波(USTC),许长补(BNL),黄焕中(UCLA,STAR-TOF美方联络人)