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科学家首次测量到反物质间作用力

来源:http://www.17930ip.com 作者:威尼斯城所有登入网址 时间:2019-09-04 23:54

近日,由来自12个国家的52家科研单位近500名科学家组成的STAR合作组在位于美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机上,首次直接测量了反质子-反质子间的相互作用力,这对理解反物质的构成起到了至关重要的作用。论文于11月5日在线发表在《自然》杂志上。此次对反物质间相互作用的首次定量测量,标志着人们对反物质的形成机制研究有了新的跨越。

开启反物质研究新篇章
科学家首次测量到反物质间作用力

自2000开始,我校科研人员为STAR研制基于多气隙电阻板室技术的飞行时间谱仪。2010年,该探测器生产完成并安装在STAR实验上,其性能达到世界先进水平,在反物质寻找中发挥了重要的作用。继2011年发现世界上最重的反物质原子核——反氦-4之后,STAR合作组又利用该谱仪获得了大量反质子样本,并首次直接测量了两个反质子之间的相互作用力。

本报上海11月5日讯由中科院上海应用物理所研究员马余刚与美国布鲁克海文实验室研究员唐爱洪领衔的STAR合作组的中外科学家,在位于纽约长岛布鲁克海文国立实验室的相对论重离子对撞机上,首次测量到反质子—反质子间的相互作用力。今天凌晨,这项重要研究成果在线发表于《自然》杂志。

在通常环境下,反物质的产额极为稀少,在此之前一直未有实验涉及反物质间相互作用力的定量测量。位于纽约长岛的相对论重离子对撞机利用两束接近于光速的金核对撞来模拟宇宙大爆炸,产生类似于宇宙大爆炸之后几个微秒时刻的物质形态。这种物质是由基本粒子即夸克、胶子组成的等离子体。它是一种新物质形态,具有大约是太阳中心25万倍的极端高温。然后,夸克-胶子等离子体迅速冷却产生大约等量的质子与反质子,这为研究反质子间的相互作用提供了极佳的机会。这种相互作用力使得核子或者反核子能够相结合成原子核或者反物质原子核。

“这是第一个反质子—反质子作用的直接测量”“是激动人心的反质子相互作用的新结果”,几位国际审稿专家如是评价。

STAR合作组研究人员利用金核-金核碰撞中产生的丰富的反质子,通过反质子-反质子动量关联函数测量,扣除通过其他粒子衰变而来的次级反质子与其他反粒子关联的污染,精确地构建了反质子-反质子关联函数。结合量子多粒子关联理论,提取出反质子-反质子的有效力程和散射长度这两个基本作用参数。研究表明,在实验精度内,反物质间的相互作用与正物质没有差别。也就是说,反质子-反质子之间的强相互作用存在着吸引,它们可以克服由于同号的反质子-反质子之间的库仑排斥而结合成反物质原子核。这项研究成为检测正反物质对称性的又一种新方式。

据悉,这次对反物质间相互作用的首次定量测量,标志着开启了反物质研究的新篇章,即从定性观测到定量相互作用研究的跨越。对人们理解反物质的形成机制起到关键的作用。

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在通常的环境下,反物质的产额极为稀少,在此之前一直未有实验涉及反物质间相互作用力的定量测量。位于纽约长岛的美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机利用两束接近于光速的金核对撞,模拟了宇宙大爆炸,产生了类似宇宙大爆炸之后数微秒时刻的物质形态。这种物质是由基本粒子,即夸克、胶子组成的等离子体新物质形态,它具有大约相当于太阳中心25万倍的极端高温。然后夸克—胶子等离子体迅速冷却产生了大约等量的质子与反质子,这为研究反质子间的相互作用提供了极佳的机会。这种相互作用力使得核子或者反核子能够相结合成原子核或者反物质原子核,研究最简单的反质子之间的相互作用力可以为以后研究更为复杂的反物质原子核间的相互作用提供决定性的基础。

研究人员利用金原子核—金核碰撞中产生的丰富的反质子,通过反质子—反质子动量关联函数的测量,扣除了通过其他粒子衰变过来的次级反质子与其他反粒子关联的污染,精确地构建了反质子-反质子关联函数。然后研究结合量子多粒子关联理论,提取出反质子—反质子的有效力程和散射振幅这两个基本作用参数。研究表明,在实验精度内,反物质间的相互作用与正物质并没有差别。

马余刚表示,反质子—反质子之间的强相互作用存在着吸引,它们可以克服由于同号的反质子—反质子之间的库伦排斥而结合成反物质原子核。“这项研究成为检测正反物质对称性的又一种新的方式。”

该研究对理解自然界中物质—反物质不对称性提供了新的基础。我们的周围充满了普通物质,而反物质却非常稀少,这是一直以来困扰人类的一个难题。在宇宙大爆炸初期,夸克、反夸克是成对产生的,然后演化到现在,在物质空间缺失了数量上的对称性。而这项研究又指出,反物质之间的作用与正物质作用是对称的。在相互作用的层次上,反物质作用仍然满足电荷共轭—宇称—时间反演对称性。因此,要彻底解决正反物质粒子产额不对称的这个难题,需要科学家全面地研究正反物质的产生、相互作用及其演化机制。因此,反物质的研究有着广阔的前景。

STAR合作组是由来自12个国家的52家科研单位组成,马余刚是中国合作组召集人,中方成员单位包括中科院上海应用物理研究所、中国科技大学、华中师大、清华大学、山东大学、中科院近代物理研究所等。

《中国科学报》 (2015-11-05 第1版 要闻)

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