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《自然-物理》:上海科学家首次完成超氚核与反超氚核质量和结合能的精确测量

未知 2020-03-12 10:55

  近日,复旦大学、中科院上海应用物理研究所的重离子物理研究团队在反物质研究上取得重要进展,首次完成了超氚核与反超氚核质量和结合能的精确测量。实验结果显示超氚核Lambda分离能比早期测量结果约大三倍,超氚核与反超氚核的相对质量在10-4精度上无差别。

  该测量结果更新了近五十47年前测量的超氚核的Lambda分离能,显示了超氚核的Λ (Lambda)分离能比早期测量结果约大三倍;也通过测量超氚核与反超氚核的质量差别在世界上首次以10-4质量精度验证了CPT(电荷共轭变换-宇称反射-时间反演)对称性在奇异物质原子核上的成立,这也是迄今为止CPT对称性验证的最重的反物质原子核。

  研究结果以全体STAR合作组成员署名发表在英国伦敦时间2020年3月9日16:00 《自然·物理》(Nature Physics),论文的主要作者包括中国科学院院士马余刚、陈金辉研究员、刘鹏博士研究生等,刘鹏和陈金辉为论文共同通讯作者。

  位于美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy Ion Collider,RHIC)将两束金离子加速到每核子100 GeV的能量,然后在STAR探测器中心对撞。

  “核子重如牛,对撞生新态”,通过此种剧烈的对撞实验产生一种高温、高能量密度密、净重子数密度接近于零的新物质形态——夸克-胶子等离子体态。在夸克-胶子等离子体态冷却过程中,产生了大量含有奇异夸克的奇异强子及其反物质产生,因此RHIC为科学家研究反物质及其奇异物质提供了绝佳的场所。

  RHIC对撞实验中奇异性的产生使得超氚核与反超氚核大量产生。超氚核是由一个中子、一个质子、一个Lambda 超子组成的束缚态,其主要衰变道为pi介子和氦3,或者pi介子和氘以及质子。

  我们周边的普通物质由质子与中子组成,其只含有上夸克和下夸克,而超氚核里面的Lambda超子不仅含有上下夸克,还包含有一个奇异夸克。因此对超氚核的研究将极大地丰富我们对物质世界的认识。

  在该项研究中, 复旦大学现代物理所陈金辉研究员及其指导的博士中国科学院上海应用物理研究所博士研究生刘鹏分析了STAR探测器于2014年和2016年采集的每核子对撞能量为100 GeV的金-金对撞产生的海量实验数据。他们在大约46亿个金-金对撞事件中找到了156个超氚信号和57个反超氚信号。

  ▲图一:在金-金对撞中产生的大量次级粒子中找到的其中一个潜在反超氚衰变事件。 左侧为STAR探测器时间投影室记录到的次级粒子轨迹信息。右侧为重味径迹探测器的放大图。重味径迹探测器安装在时间投影室的正中间。图片来源:Nature Physics?

  对称性在自然界中普遍存在。在历史上很长一段时间里,人们一直认为宇称(Parity)对所有物理过程都是守恒的。1956年华裔物理学家李政道和杨振宁和李政道首先在理论上提出在弱相互作用中宇称不守恒,随后华裔物理学家吴健雄在实验上证实了宇称不守恒,因此1957年诺贝尔物理学奖授予了宇称不守恒的发现。随后物理学家很快发现了电荷-宇称的联合不守恒(CP 破坏)并且获得了诺贝尔物理学奖。

  在历史上宇称不守恒和CP破坏的发现极大地促进了物理学的发展。目前CPT理论认为一切物理过程在电荷、宇称、时间联合变换时具有不变性,并且认为物质与反物质具有完全相同的质量。物理学家一直试图在实验上寻找CPT破坏的信号并且已经通过测量各种强子的正反粒子质量差别来验证CPT对称性。目前对正反K介子的质量测量显示在10-18精度上正反K介子质量相等。尽管对各类强子的正反粒子做了很多测量,但是目前在原子核层面上的很少有测量非常稀少,其中最新的实验结果是欧洲核子中心(CERN) ALICE实验组2015年测量的反氘核、反氦3质量差别,该实验结果对于氦3-反氦3的测量精度达到了只有10-3,但尚未涉及到并且不包含奇异夸克自由度(Nature Physics 11, 2015, 811)。

  在反奇异夸克物质的研究上,马余刚院士团队早在2010年首次就发现了反超氚核(Science 328, 58-62 (2010)),但是由于实验精度,其质量一直没有得到精确测量。该论文在世界上首次精确测量了反奇异夸克原子核反超氚与超氚核的质量差别,并且以10-4精度验证了CPT对称性在超核上的成立。该测量也是迄今为止CPT对称性验证的最重的反物质原子核。测量结果将对扩展标准模型(Extension Standard Model)参数提供实验限制。

  超氚核Lambda分离能的测量也为我们理解中子星性质提供关键帮助。理论认为中子星内部存在奇异物质,因此超子-核子、超子-超子之间的相互作用信息对理解中子星状态方程有着十分重要的意义。超子-核子相互作用信息可以通过传统的散射实验获得,但是目前超子-核子散射实验非常少,而超氚作为一个天然的超子-核子相互作用系统,其Lambda分离能大小与超子-核子相互作用强度有直接关系。此次测量的超氚Lambda分离能表明超子-核子之间的相互作用强度可能要比科学家早期认为的强得多。最新的测量结果将为理论计算超子-核子之间相互作用提供更为精确的限制。

  该研究得到了国家自然科学基金委创新研究群体团队、基金委重大项目以及科技部、中科院项目的联合支持。(作者:许琦敏)?

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