迄今为止最大规模的反物质观测将为暗物质搜索提供精确的数据

Josiah01

在美国布鲁克海文国家实验室的实验中，一个国际物理学家小组探测到了迄今为​​止最重的“反核”。这种微小、寿命短的物体是由奇异的反物质粒子组成的。
对这些实体的产生频率及其特性的测量证实了我们目前对反物质性质的理解，并将有助于在深空中寻找另一种神秘的粒子——暗物质。
研究结果于8月21日发表在《自然》杂志上。
缺失的镜像世界
反物质的概念出现还不到一个世纪。1928 年，英国物理学家保罗·狄拉克 (Paul Dirac) 提出了一套非常精确的电子行为理论，并做出了一个令人不安的预测：存在具有负能量的电子，这将使我们生活的稳定宇宙不可能存在。
幸运的是，科学家找到了这些“负能量”状态的另一种解释：反电子，即具有相反电荷的电子的孪生体。1932 年，科学家在实验中发现了反电子，从那时起，科学家发现所有基本粒子都有自己的反物质等价物。
然而，这又引出了另一个问题。反电子、反质子和反中子应该能够结合形成整个反原子，甚至反行星和反星系。此外，我们的大爆炸理论表明，在宇宙诞生之初，一定产生了等量的物质和反物质。
但放眼望去，我们能看到的都是物质，而反物质却微乎其微。反物质到哪里去了？这个问题困扰了科学家近一个世纪。
原子碎片
今天的结果来自位于美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机的STAR 实验。
这项实验的原理是将铀等重元素的核心以极高的速度撞击在一起。碰撞产生的微小而剧烈的火球，短暂地复制了宇宙大爆炸后最初几毫秒的状况。
每次碰撞都会产生数百个新粒子，STAR 实验可以探测到它们。大多数粒子都是寿命短、不稳定的介子，但偶尔也会出现一些更有趣的东西。
在 STAR 探测器中，粒子在磁场内快速穿过一个装满气体的大容器，并在其尾迹中留下可见的轨迹。通过测量轨迹的“厚度”及其在磁场中的弯曲程度，科学家可以确定是哪种粒子产生的。
物质和反物质带有相反的电荷，因此它们的路径在磁场中会向相反的方向弯曲。
“反超氢”
自然界中，原子核由质子和中子组成。然而，我们也可以制造出一种叫做“超核”的东西，其中一个中子被超子（一种比中子稍重的物质）取代。
他们在 STAR 实验中探测到的是一个由反物质构成的超核，或者说反超核。事实上，这是迄今为止所见过的最重、最奇特的反物质核。
具体来说，它由一个反质子、两个反中子和一个反超子组成，被称为反超氢-4。在产生的数十亿个介子中，STAR 研究人员仅发现了 16 个反超氢-4 核。
结果证实了预测
这篇新论文将这些新的最重反核以及大量其他较轻反核与正常物质中的对应物进行了比较。超核都是不稳定的，在大约十分之一纳秒后就会衰变。
将超核与其相应的反超核进行比较，我们发现它们具有相同的寿命和质量——这正是我们从狄拉克理论中所期望的。
现有理论也能很好地预测较轻的反超核如何更频繁地产生，而较重的反超核如何较少地产生。
同样是一个影子世界？
反物质还与另一种奇异物质——暗物质有着令人着迷的联系。通过观察，我们知道暗物质遍布宇宙，其普遍性是普通物质的五倍——但我们从未能够直接探测到它。
一些暗物质理论预测，如果两个暗物质粒子相撞，它们将相互湮灭，产生大量物质和反物质粒子。然后会产生反氢和反氦——国际空间站上的一项名为阿尔法磁谱仪的实验正在对此进行观测。
如果我们确实在太空中观察到反氦，我们如何知道它是由暗物质还是正常物质产生的？好吧，像 STAR 这样的新测量让我们可以校准我们的理论模型，以确定正常物质碰撞中产生了多少反物质。这篇最新论文为这种校准提供了大量数据。
基本问题仍然存在
在过去的一个世纪里，我们对反物质有了不少了解。然而，我们仍然无法解答为什么我们在宇宙中看到的反物质如此之少。
在探索反物质的本质及其去向方面，STAR 实验远非孤例。瑞士大型强子对撞机的 LHCb 和 Alice 等实验将通过寻找物质和反物质行为差异的迹象来加深我们的理解。
也许到 2032 年，即反物质首次发现一百周年之际，我们将在理解这种奇特的镜像物质在宇宙中的位置方面取得一些进展，甚至知道它与暗物质之谜有何关联。