馬余剛 張正橋

在我們所處的世界，正反物質的不對稱性是物理學領域的未解之謎。反物質研究是國際上高能物理領域的熱點，有關反物質研究的進展對我們認識物質結構有著重要的啟示。

正反物質相互觸碰會發(fā)生湮沒，能將質量全部轉化為能量。目前人類觀測到的宇宙主要由正物質組成，反物質非常稀少。根據宇宙大爆炸理論，在宇宙早期產生了數量相當的正粒子與反粒子。而組成目前物質世界的則主要是正粒子，這種正反物質的不對稱性是粒子物理學和宇宙學至今未解的謎題。

1956年，李政道和楊振寧為解釋當年困惑物理學界的著名的θ-τ之謎，發(fā)表了著名的《對弱相互作用中宇稱守恒的質疑》文章，他們的理論被吳健雄的實驗所證實，實驗表明在微觀物質世界中，左右鏡像（宇稱即P）對稱性在弱相互作用時會遭到破壞，這一發(fā)現(xiàn)使科學家意識到一些基本規(guī)律在一定條件下可能會出現(xiàn)破缺。1964年，克羅寧（J.W.Cronin）和菲奇（V.L.Fitch）在研究K介子衰變的實驗中發(fā)現(xiàn)了CP（正反粒子和左右鏡像反演的聯(lián)合對稱性，C為電荷）對稱的破壞，這項發(fā)現(xiàn)再次震驚了物理學界。它不僅意味著時間反演T在微觀世界中也可能是不對稱的，而且對回答宇宙中反物質去哪了的難題提供了線索。

雖然CP對稱有可能破壞，然而在量子場論中，物理量在電荷C、宇稱P、時間T一起反向變換后是不變的，這就是著名的CPT對稱理論，它是由洛倫茲不變推導而來的，目前為止所有的實驗結果均支持CPT對稱理論。研究反物質是驗證CPT對稱或者尋找CPr破缺現(xiàn)象的一個重要方向，同時能夠為宇宙中正反物質反對稱性提供重要線索。因此，尋找反物質并研究反物質的性質是科學家關心的重大問題。

在探索反物質過程中，大型科學裝置有發(fā)射到太空中研究宇宙射線的衛(wèi)星，有埋入極深地下的探測器，也有先進的大型加速器。在過去幾十年中，反物質的研究取得了巨大的成就，其中包括：美國布魯克黑文國家實驗室相對論重離子對撞機螺旋管徑跡探測器（RHIC-STAR）合作組觀測到反超氚核和反氦4核，歐洲核子研究中心（CERN）在實驗室捕捉到反氫原子并研究其性質，國際空間站上的阿爾法磁譜儀二期（AMS-02）新數據證實了正電子通量“反?！痹黾拥痊F(xiàn)象。近來，位于CERN的大型強子對撞機重離子碰撞（LHC-ALICE）實驗展示了對反粒子輕核的精確測量，RHIC-STAR實驗首次測量了反質子一反質子的相互作用。

反物質研究的歷史回顧

反物質概念的提出最早可追溯到1898年舒斯特（A.Schuster）投給英國《自然》周刊的一篇文章（Potential Matter-A Holiday Dream），作者在文章中大膽提出了反物質存在的可能性。隨著量子力學的迅猛發(fā)展.1928年英國物理學家狄拉克在解釋狄拉克方程負能解的問題時，正式引出正電子概念，預言了正負電子對的湮沒和產生。1930年，中國科學家趙忠堯在實驗上發(fā)現(xiàn)重核對于硬光子的吸收系數遠大于克萊因一仁科公式（Klein-Nishima formula），后來發(fā)現(xiàn)這是因為反應中產生了正負電子對，這是正電子觀測的第一個間接信號。1932年，美國物理學家安德森（C.D.Anderson）在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子，這是人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第一個反粒子，打開了反物質研究的大門。1959年，塞格雷（E.G.Segre）和張伯倫（O.Chamberlain）等在美國伯克利的回旋加速器上發(fā)現(xiàn)了反質子。1965年，由丁肇中領導的研究小組在布魯克黑文國家實驗室的交變梯度質子同步加速器（BNL-AGS）上成功觀測到反氘核。

1971年。蘇聯(lián)科學家觀測到了反氦3，他們同時研究了反質子、反氘、反氦3的產生截面與質量數的關系，發(fā)現(xiàn)反物質原子核的產生截面隨著質量數的增加會相應地減少若干個數量級（產生截面同時與體系的溫度有關）。因此，同樣實驗條件下，要觀測到下一個更重的反物質核，統(tǒng)計量需要增加上萬倍。這也是為什么直到2011年反氦4才在位于布魯克黑文國家實驗室的RHIC-STAR實驗中被發(fā)現(xiàn)。在反氦4發(fā)現(xiàn)之前，同樣南RHIC-STAR實驗組在2010年發(fā)現(xiàn)了由反質子、反中子和反A組成的反物質超氚核，這也是人類所觀測到的首個反物質超核。反超氚核包含了第二代夸克成員：反奇異夸克，它是人類發(fā)現(xiàn)的首個包含奇異夸克的反物質核。在上述反物質發(fā)現(xiàn)的歷程中，1936年與1959年的諾貝爾物理學獎分別授予了正電子和反質子的發(fā)現(xiàn)者。

由于自然條件下反物質產額極為稀少，迄今對反物質性質的研究還比較少，2015年RHIC-STAR合作組首次報道了反質子一反質子間相互作用的測量結果，此項研究標志著人們對反物質研究進入了新的篇章。

相對論重離子對撞機上的反物質研究進展

相對論重離子對撞機（Relativistic Heavy Ion Collider，RHIC）位于紐約長島布魯克黑文國家實驗室。RHIC是當前國際上核物理研究的大科學裝置，其利用兩束接近于光速的金原子核的對撞來模擬宇宙大爆炸，對撞能量可以高達200吉電子伏，產生了類似于宇宙大爆炸之后初期的物質形態(tài)。這種物質是由基本粒子，即夸克、膠子組成的等離子體新物質形態(tài)，又稱為QGP（quark-gluon plasma），它具有極高溫，約是太陽中心溫度的25萬倍。這種新物質形態(tài)冷卻后，會產生豐富的粒子與反粒子，提供了反物質發(fā)現(xiàn)和研究極佳的場所。

RHIC裝置剛開始運行時有四個大型探測器，分別是BRAHMS，PHENIX，PHOBOS和STAR探測器。這四個探測器在設計上各有特點，一方面是基于物理上的相互補充，同時也能相互檢驗探測到的物理結果。其中STAR（Solenoidal Tracker at RHIC）探測器位于RHIC環(huán)形對撞機的6點鐘位置。STAR是具有覆蓋中心快度區(qū)，全方位角接收度，由不同探測子系統(tǒng)構成的一個大型復合探測器，它具有優(yōu)異的多徑跡事件重建能力，能夠很好地鑒別各種正、反粒子。STAR探測器主要部件包括時間投影室（TPC）、重味徑跡探測器、飛行時間譜儀（TOF）、電磁量能器等。來自十幾個國家近五十家單位的六百多名科學家與研究生，圍繞STAR探測器和相關的物理分析構成了一個大型STAR國際合作組。中國合作單位包括中國科學院上海應用物理研究所（以下簡稱上海應物所）、中國科學技術大學、清華大學、華中師范大學、中國科學院近代物理研究所和山東大學等。其中上海應物所主要關注尋找反物質原子核以及研究其相關性質，有關研究人員在反物質的系列研究成果中均起到了核心領導作用。

反超核的發(fā)現(xiàn)

在粒子物理學中，超子是指至少含有一個奇異夸克的重子，它由強相互作用產生，卻通過弱相互作用衰變。在宇宙演化、中子星內核構成中，超子起到了關鍵性的作用，含有超子的原子核即為超核。目前，A超核和∑超核是人們發(fā)現(xiàn)的兩類超核。最輕的超核南1個質子、1個中子和1個人超子組成，稱為超氚核。人們通過測量超子一核子間相互作用，可以得到研究中子星內部奇異物質狀態(tài)方程的初始參數。從近期幾個實驗組的實驗測量，發(fā)現(xiàn)超氚核的壽命甚至低于自由A粒子壽命，低于200皮秒。由于其短壽命，目前實驗上只能通過其末態(tài)衰變粒子重構來找到超核信號。2010年.RHIC-STAR實驗組研究人員分析了上億次金核一金核碰撞事例，通過重構反氦3和盯介子衰變道，發(fā)現(xiàn)了第一個反超核信號：反超氚核。

在發(fā)現(xiàn)反超氚核的工作中，上海應物所的STAR實驗小組分析了海量的事例樣本，從STAR探測器中探測到總共約2168個反氦3信號和5810個氦3信號。STAR探測器可以非常有效地鑒別反氦3和低動量區(qū)間的π介子。將同個碰撞事件中這些反氦3和帶正電的π介子的能動量信息進行組合，最后得到它們的不變質量分布，然后通過STAR探測器精確地鑒別出反超核衰變的次級頂點，去除大部分組合背景。其次，分析組人員通過準確的探測器接收度模擬，可以得到衰變徑跡間最佳幾何篩選條件。其中：在衰變點位置反氦3和π徑跡間的距離要小于l厘米：反超氚核徑跡和碰撞頂點的距離小于1厘米，其衰變長度需大于2.4厘米：π介子徑跡和碰撞頂點的距離大于0.8厘米等。通過這些篩選條件之后，得到了在不變質量為2.991吉電子伏的信號區(qū)間有明顯的峰。另外，通過運用旋轉背景分析方法，可以消除殘留的背景噪聲。然后在不變質量分布中的2.991吉電子伏的信號區(qū)間的計數中，減去擬合后得到的組合背景噪聲，最后得到反超氚核的信號，總共約為70個。作為比較，STAR實驗組同時測量到了超氚核信號，進一步驗證了反超氚核的存在。相同的分析方法得到的超氚核信號約為157個。在STAR發(fā)現(xiàn)反超氚核之后，歐洲核子研究中心的大型強子對撞機LHC實驗中也發(fā)現(xiàn)了反超氚核。

反氦4的發(fā)現(xiàn)

反超氚核的發(fā)現(xiàn)表明RHIC是非常適合研究反物質的場所，在2009年RHIC對撞機升級后，其亮度提高了約10倍，采集的碰撞事例數大大增加了。2011年，研究人員通過分析STAR主探測器中的時間投影室，以及中國STAR合作組研制的桶形飛行時間探測器采集到的接近十億次金核一金核對撞產生的數據，從約5000億個帶電粒子里找到18個反氦4信號。反氦4核是由兩個反質子和兩個反中子組成的穩(wěn)定束縛態(tài)，帶有兩個單位的負電荷，質量約為質子質量的4倍，是目前人類發(fā)現(xiàn)的最重的反物質核。STAR的主探測器時間投影室（TPC）能夠完美地捕捉到帶電粒子的飛行徑跡，通過分析粒子在投影室中每單位路徑的電離能量損失，可對粒子進行初步鑒別。飛行時間譜儀（TOF）則能夠精確測量粒子的質量。TOF探測系統(tǒng)主要由中美STAR合作組合作完成，探測器硬件和相應的物理部分得到了國家自然科學基金委、國家科技部、中國科學院的聯(lián)合資助，硬件部分由STAR中國組研制完成。美國能源部資助TOF探測器的電子學和集成。TOF于2009后安裝在STAR探測器上，覆蓋在TPC外面。TOF由4032塊多氣隙電阻板室（MRPC）構成的120條TOF樣條（tray）組成，它具有卓越的時間分辨能力，從而具有很高的粒子質量分辨能力，因此在反氦4的鑒別過程中發(fā)揮了關鍵作用。另一方面，STAR合作組發(fā)展的“高階觸發(fā)”（HLT）技術對反氦4的發(fā)現(xiàn)也起到了關鍵性作用。STAR HLT是一個主要基于軟件技術的觸發(fā)系統(tǒng)，能夠對碰撞產生的粒子進行在線鑒別，從而對碰撞事例進行在線挑選。在這個發(fā)現(xiàn)中，STAR-上海應物所研究組直接承擔實驗數據分析，為反氦4的發(fā)現(xiàn)做出了重要貢獻。反氦4的發(fā)現(xiàn)使人類在反物質發(fā)現(xiàn)領域又邁進了一步。

更重的穩(wěn)定反物質原子核在對撞中的產生率是反氦4的百萬分之一，因此未來更重的反物質的發(fā)現(xiàn)或許需要等待很長的時間。由丁肇中先生領導的AMS-02已于2011年5月發(fā)射升空并已安裝在國際空間站上，其中一個實驗目的是尋找宇宙的反物質，而STAR的這次測量結果將為AMS-02提供一個定量的背景估計值。

從定性到定量研究：反物質相互作用的首次測量

目前為止，科學家們已經探測到了多種粒子對應的反粒子，即做了許多定性的觀測。然而對反物質的定量研究卻很少。事實上，在此之前一直未有實驗涉及反物質間相互作用力的測量。RHIC上產生的夸克一膠子等離子體迅速冷卻后能產生約等量的質子與反質子，在近5億次的金核一金核對撞中產生了約50億個反質子，這為研究反質子間的相互作用提供了極佳機會。同時利用STAR探測器中的時間投影室和時間飛行譜儀，可以使探測到的反質子純度達到99%以上。以上海應物所研究人員為主的團隊利用金核一金核碰撞中產生的豐富的反質子，測量了反質子一反質子動量關聯(lián)函數，并首次定量地提取反質子一反質子相互作用參數。

1956年，在一個開創(chuàng)性的實驗中，漢伯里一布朗（R.Hanbury-Brown）和特威斯（R.Q.Twiss）利用兩個光子之間關聯(lián)測量了星體的角徑，在一個光子被一個探測器探測到的同時，第二個光子被另外一個探測器探測到的概率表現(xiàn)出對被探測體的橫向距離的一種關聯(lián)。

后來在很多高能核碰撞實驗中，人們測量了在能量動量空間中兩個全同粒子的強度關聯(lián)，這種從一個擴展源發(fā)出的全同粒子的時空或者說動量的關聯(lián)被稱作HBT效應，此效應是研究反質子間相互作用的基礎。如果反質子一反質子間不存在任何相互作用和量子力學效應，那么得到的關聯(lián)函數就會是恒等于1的一條直線。如果相互作用是相互吸引的，那么關聯(lián)函數就會大于1，反之則小于1?？紤]到部分反質子是由反A超子衰變而來，這部分反質子無法從探測到的反質子樣本中直接區(qū)分出來，因此在得到的關聯(lián)函數的基礎上需要扣除來自反A-反質子，反A-反A關聯(lián)的影響，精確地構建反質子一反質子關聯(lián)函數。通過分析碰撞中心度為30%-80%的金核一金核碰撞數據，科學家們得到了質子一質子和反質子一反質子的關聯(lián)函數。兩者結構非常相似，在相對動量非常小時，關聯(lián)函數小于1。這主要是由于質子對或者反質子對之間的庫倫相互作用引起的。同時它們的關聯(lián)函數在相對動量的一半處（k*≈0.02吉電子伏）都有一個峰，這是由質子間（反質子間）相互吸引的S波相互作用引起的。質子間關聯(lián)函數與反質子間關聯(lián)函數的比值很好地位于1周圍，表明反質子一反質子相互作用與質子一質子相互作用是對稱的。

同時，上海應物所合作組結合量子多粒子關聯(lián)理論，首次測得反質子一反質子的相互作用的散射長度（f₀）和有效力程（d₀）這兩個描述強相互作用的基本作用參數。其中

f₀=[7.41+0.19（stat.）+0.36（sys.）]飛米，

d₀=[2.14+0.27（stat.）+1.34（sys.）]飛米。f₀是低能情況下S波散射振幅，直接與散射截面的大小相關。另外，散射長度的符號直接決定了兩核子系統(tǒng)是否存在束縛態(tài)，若f₀>0則可以存在束縛態(tài)，f₀<0則不存在束縛態(tài)。有效力程d₀則描述了強相互作用的有效范圍。若對于一個簡單的方勢阱來說，勢阱的寬度對應相互作用的有效力程。

此次測量的結果很好地解釋了反核子為何能結合成更為復雜的反物質原子核。研究最簡單的反質子之間的相互作用力可以為以后研究更為復雜的反物質原子核間的相互作用提供基礎。在實驗精度內，反質子一反質子的散射長度和有效力程與質子一質子的是相等的，也就是說反物質間的相互作用與正物質并沒有差別。根據CPT對稱理論，物質和反物質除電荷外其他所有性質應該是一樣的，這項研究從物質相互作用的角度驗證了CPT對稱理論，成為檢測正反物質對稱性的又一種新的方式。在首次測量反物質相互作用的研究中，STAR-上海應物所小組在從研究思路的提出到歷時三年的艱難數據分析過程中，均起到了決定性的作用。相關論文發(fā)表在英國《自然》周刊上。

其他CPT對稱性檢驗實驗

以往的實驗已經在很高精度上測量質子與反質子的質量差別，測量更重的輕核與其對應的反物質質量，對于理解強相互作用和CPT對稱性有很大意義。2015年，LHC-ALICE合作組首次精確測量了氘核與反氘核以及氦3與反氦3質量的差別。實驗采用鉛核一鉛核對撞，對撞能量高達2.76太電子伏。實驗表明，氘核與反氘核在l0^-4精度內，氦3與反氦3在10^-3精度內，質量是沒有差別的。此次實驗從質量角度驗證了CPT對稱性。

除了反物質原子核的尋找與研究外，科學家也嘗試了合成反物質原子的系列研究。2010年，歐洲核子研究中心的研究人員在實驗室成功捕捉了反氫原子，并維持其狀態(tài)達172毫秒，一年之后，他們把維持狀態(tài)時間提高到了1000秒?？茖W家們想通過研究反氫原子能譜來檢驗CPT對稱原理。通過對比正反氫原子的量子屬性和精細結構，以及原子能譜的測量結果，若能發(fā)現(xiàn)任何差別，都將預示著全新的物理。目前實驗主要測量了反氫原子的電荷和質量等參數。同時，關于反氫原子引力的精確測量也是檢驗基本物理學規(guī)律的重要實驗。

高空宇宙射線反物質研究

除了實驗室研究外，對高空宇宙射線的測量是科學家尋找反物質的另一個途徑。AMS-02在2011年升空后，于2013年發(fā)布了其高精度實驗數據，實驗結果表明正電子通量在10吉電子伏之后出現(xiàn)反常增加，這引起了科學家極大的興趣。宇宙大爆炸初期生成的正反物質，可能會瞬間湮沒并產生大量光子，進而可能產生高能正負電子對。而現(xiàn)在宇宙射線中觀測到的高動量正電子通量的反常增加是否會是宇宙中的暗物質反應產生的呢？人們期待AMS-02后續(xù)的實驗數據能給出答案。除此之外，中國剛剛發(fā)射成功的太空暗物質探測衛(wèi)星“悟空”，也能得到大量的高能正電子，甚至反物質、暗物質的信息。

從最初預言反物質存在，到反物質的發(fā)現(xiàn)，以及現(xiàn)在對反物質性質的研究，加深了人類對物質世界的理解?，F(xiàn)在一個重要的實驗方向是觀測反物質的各項性質，從而尋找物質和反物質不對稱性的蛛絲馬跡和物理起源。從反物質角度研究CPT對稱性也是以后探索的一個重要的方向，將為人類認識宇宙的物質構成提供重要的線索。未來任何正物質和反物質差別的發(fā)現(xiàn)都將預示著物理學新的突破。由于正反物質會發(fā)生湮沒，將質量完全轉化為能量，也許未來反物質可以用來作為星際旅行的動力，甚至可以用來做成反物質物質.500克反物質的威力將超過氫彈。當然，目前人類只能在大型實驗裝置中產生少量的反物質，未來的反物質應用之路還很漫長。