現代物理研究所馬餘剛院士團隊在正反超核質量和結合能測量中取得...

2020-12-11 復旦大學

近日，中國科學院院士、復旦大學現代物理研究所研究員馬餘剛團隊在反物質研究中取得重要進展，首次完成了超氚核與反超氚核質量和結合能的精確測量。該測量結果更新了近50年前測量的超氚核的Lambda分離能，顯示了超氚核的Lambda分離能比早期測量結果約大三倍；超氚核與反超氚核的質量差在世界上首次以10-4質量精度驗證了CPT（電荷共軛變換-宇稱反射-時間反演）對稱性在奇異物質原子核上的成立，這也是迄今為止CPT對稱性驗證的最重的反物質原子核。

倫敦時間3月9日，相關研究論文以《超氚核與反超氚核質量和結合能的精確測量》（「Measurement of the mass difference and the binding energy of the hypertriton and antihypertriton」；DOI：10.1038/s41567-020-0799-7)為題發表於《自然·物理》（Nature Physics），論文的主要作者（Principal authors）包括馬餘剛及復旦大學現代物理研究所研究員陳金輝、中科院上海應用物理所博士研究生劉鵬等，陳金輝和劉鵬為論文共同通訊作者。

位於美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機（Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)）將兩束金離子加速到每核子100 GeV的能量，在STAR探測器中心對撞產生一種溫度高達幾萬億度的新物質形態——夸克-膠子等離子體態，這種物質被普遍認為存在於宇宙大爆炸後的幾個微秒。在夸克-膠子等離子體態冷卻過程中產生了大量含有奇異夸克的奇異強子及其反物質，併合成了大量的超氚核（Hypertriton）與反超氚核（Antihypertriton）。超氚核是由一個中子、一個質子、一個Lambda 超子組成的束縛態。與人們所熟知的由質子與中子組成的普通物質不同，超氚核除了含有上夸克、下夸克外，還包含有奇異夸克。對超氚核的研究將極大地豐富人們對物質世界的認識。

在該項研究中，聚焦每核子對撞能量為100 GeV的金-金對撞，研究團隊分析了STAR探測器收集的由此產生的海量實驗數據，在大約46億個金-金對撞事件中找到了156個超氚信號和57個反超氚信號。下圖顯示了在一個金-金對撞事件中找到一個潛在反超氚核信號，該信號衰變為一個pi+介子，一個反質子，一個反氘核。研究團隊通過反超氚衰變產物在STAR探測器磁場中的運動軌跡曲率而測量其動量，並通過產物的動量和質量計算得出超氚核反超氚核的質量為


其相對質量差別為

在金-金對撞中產生的大量次級粒子中找到的其中一個反超氚衰變事件。左側為STAR探測器時間投影室記錄到的次級粒子軌跡信息。右側為重味徑跡探測器的放大圖。重味徑跡探測器安裝在時間投影室的正中間。

圖片來源：Nature Physics（https://www.nature.com/articles/s41567-020-0799-7）

對稱性在自然界中普遍存在。在很長一段時間裡，人們一直認為物理規律都是遵循對稱性的。李政道和楊振寧首先在理論上提出在弱相互作用中宇稱不守恆。隨後，華裔物理學家吳健雄在實驗上證實了宇稱不守恆， 1957年諾貝爾物理學獎授予了宇稱不守恆的發現。此後，物理學家很快發現了電荷-宇稱的聯合不守恆（CP破壞）並且獲得了諾貝爾物理學獎。在歷史上，宇稱不守恆和CP破壞的發現極大地促進了物理學的發展。目前，CPT理論認為一切物理過程在電荷、宇稱、時間聯合變換時具有不變性，並且認為物質與反物質具有完全相同的質量。物理學界一直試圖在實驗上尋找CPT破壞的信號，並且已經通過測量各種強子的正反粒子質量差別來驗證CPT對稱性。目前對正反K介子的質量測量顯示在10-18精度上正反K介子質量相等。儘管物理學界對各類強子的正反粒子做了很多測量，但目前在原子核層面上的測量還非常稀少。

在反物質系列研究上，馬餘剛團隊與合作者在2010年發現了反超氚核（Scince-21010），2011年發現了反氦4核（Nature-2011），2015年測量了反質子相互作用(Nature-2015)。但由於當時實驗精度所限，沒能實現正反物質質量差等基本物理參數的精確測量。而本項研究在世界上首次精確測量了反奇異夸克原子核反超氚與超氚核的質量差別，並且以10-4精度驗證了CPT對稱性在超核上的成立。該測量也是迄今為止CPT對稱性驗證的最重的反物質原子核，測量結果將對擴展標準模型（Extension Standard Model）參數提供實驗限制。

超氚核Lambda分離能的測量也為人們理解中子星性質提供關鍵幫助。理論認為中子星內部存在超子物質，因此超子-核子、超子-超子之間的相互作用信息對理解中子星狀態方程有著重要意義。超子-核子相互作用信息可以通過傳統的散射實驗獲得，但是目前關於超子-核子散射的實驗並不多，而超氚核作為一個天然的超子-核子相互作用系統，其Lambda分離能大小與超子-核子相互作用強度有直接關係。此次測量的超氚Lambda分離能表明超子-核子之間的相互作用強度可能要比科學家早期認為的強得多。最新的測量結果將為理論計算超子-核子之間相互作用提供更為精確的限制。

該研究得到了國家自然科學基金委創新研究群體、基金委重大項目以及科技部、中科院項目的聯合支持。

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41567-020-0799-7

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