中国科大高能核物理团队在反物质超氢-4核发现中作出重要贡献

中国科学技术大学高能核物理团队与兰州近代物理研究所合作，在RHIC-STAR国际合作重离子碰撞实验中首次发现了一种新反物质超核——反超氢-4核，这是迄今实验上发现的最重的反物质超核。研究成果以“Observation of the antimatter hypernucleus anti-hyperhydrogen-4” 为题，于8月21日在线发表于《自然》杂志上。这是STAR实验继发现反超氚核、反氦4核以来在反物质探索领域的又一次重大突破。

图：重离子碰撞产生反物质超氢-4核示意图（上）；反物质超氢-4核不变质量信号（下）

反物质和普通物质的不对称性是现代物理学的一个基本问题。我们生活的世界和现今的宇宙中为何绝大多数的物质都是正物质？这仍然是一个谜。1931年安德森正电子的发现证实了狄拉克方程反物质的猜想。此后科学家们相继发现了反质子、反中子，反氘核等等。越重结构越复杂的反物质，在自然界中的产率就越低，且呈指数下降，每增加一个反核子（质量数A+1），其产率就下降约1000倍，这导致在实验上发现发物质极其困难。人们猜想在宇宙“大爆炸”的初期，极端高温高密度的条件下，可能存在与正物质等量的反物质，但由于绝大多数正物质与反物质发生湮灭，并且随着宇宙膨胀温度降低，约百亿分之一的正物质存活下来，演变为现今的世界。运行在美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子加速器RHIC可以将两束重原子核（例如金核）加速到每核子100GeV的能量，并使其对撞，从而可以在碰撞瞬间产生几万亿度的高温火球，被人们称为“小爆炸”，以此模拟宇宙“大爆炸”初期的环境，为发现反物质创造了良好的条件。

反超氢-4核由一个反质子、两个反中子和一个反Lambda超子组成。研究团队在相对论重离子加速器RHIC的STAR实验上，在66亿个重离子对撞事例中找到了约16个反超氢-4核，并首次测量了其寿命，发现与普通超氢-4核的寿命在误差范围内一致，进一步验证了正反物质在寿命这一内禀属性上的对称性。反超氢-4核是目前实验上观测到的最重的反物质超核。它的发现和性质研究，使人类在反物质及正反物质对称性的探索方面又迈出了重要一步。

中国科大高能核物理团队张一飞教授、博士生李东升作为该论文的主要作者参与了相关物理分析，在发展基于卡尔曼滤波方法的粒子衰变拓扑重建关键技术、粒子重建效率计算方面作出了重要贡献。团队主导研制的基于MRPC技术的飞行时间探测器TOF，极大拓展了STAR实验上带电粒子的鉴别能力，也为此次反超氢-4核的发现提供了末态衰变产物鉴别的关键作用。值得一提的是，中国科大高能核物理团队在第一个反物质超核——反超氚的发现中也作出了重要贡献，相关成果发表SCIENCE, 328 (2010) 5974上。相比反超氚，反超氢4仅仅多了一个反中子，实验上的寻找难度就增大了很多，又经十四年才得以发现。此外，近年来团队还在超氚核与超氢-4核的寿命测量中作出了重要工作，相关成果发表在Phys. Rev. Lett. 128 (2022) 202301上。

RHIC-STAR是基于美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机（RHIC）上STAR实验的大型国际合作组，由来自14个国家74个单位的700多位科研人员组成。该项研究受到了国家自然科学基金委、科技部等单位的经费资助。