中外科學家首次測量到反物質間作用力

反質子間相互作用的卡通示意圖
由來自12個國家的52家科研單位組成的STAR合作組近日在美國布魯克海文國立實驗室(Brookhaven National Laboratory)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,這對理解反物質的構成起到了至關重要的作用。 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來模擬宇宙大爆炸,產生類似於宇宙大爆炸之後幾個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,它具有大約是太陽中心250,000倍的極端高溫。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,並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,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長度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用差別。也就是說,反質子-反質子之間的強相互作用存在著吸引,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。 該研究對於理解自然界中物質-反物質不對稱性提供了新的基礎。人類所認識的自然界充滿了普通物質,而反物質卻非常稀少,這是一直以來困擾科學家的一個難題。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。也就是說,在相互作用的層次上,反物質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,反物質的研究有著廣闊的前景。 【圖、文:節錄自中國科學院上海應用物理研究所網頁;新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在11月5日出版的《自然》雜誌

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