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，這對理解反物質(zhì)的構(gòu)成起到了至關(guān)重要的作用。論文于11月5日凌晨在線發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上。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)的研究進入了新的篇章，即從定性的觀測到定量相互作用研究的跨越，將對人們理解反物質(zhì)的形成機制起到關(guān)鍵作用。

　　在通常環(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)，它具有大約是太陽中心25萬倍的極端高溫。然后，夸克-膠子等離子體迅速冷卻產(chǎn)生大約等量的質(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)測量，并扣除通過其他粒子衰變而來的次級反質(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)。然后，他們結(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)并沒有差別。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)對稱性的又一種新方式。

　　該研究對于理解自然界中物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性提供了新的基礎(chǔ)。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，然后演化到現(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)額不對稱這個難題，需要科學(xué)家全面地研究正反物質(zhì)的產(chǎn)生、相互作用及其演化機制。因此，反物質(zhì)研究有著廣闊的前景。

　　中國是STAR合作組的主要成員，中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所研究員馬余剛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、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華中師范大學(xué)、清華大學(xué)、山東大學(xué)、中科院近代物理研究所等。在此次反物質(zhì)間作用力的首次測量過程中，馬余剛及其領(lǐng)導(dǎo)的課題組與美國布魯克海文國家實驗室研究員唐愛洪等合作，從2012年初提出研究思路到歷時3年多進行艱難的數(shù)據(jù)分析，做出了關(guān)鍵性貢獻。其中，馬余剛的博士研究生張正橋完成了全程數(shù)據(jù)分析。

　　在反物質(zhì)課題的系統(tǒng)性研究上，馬余剛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)和《自然》（Nature)雜志上。前者入選2010年度“中國十大科學(xué)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。

　　論文鏈接

圖1：STAR探測器內(nèi)探測到的兩個反質(zhì)子-反質(zhì)子關(guān)聯(lián)示意圖

圖2：反質(zhì)子間相互作用的示意圖