反物质超核质量和结合能的精确测量取得重要进展

文章来源:上海应用物理研究所  |  发布时间:2020-03-11  |  【打印】 【关闭

  

  近日,复旦大学和中科院上海应用物理所重离子物理团队在反物质系列研究上再次取得重要进展,完成了超氚核与反超氚核质量和结合能的精确测量。实验结果首次给出了超氚核与反超氚核以10-4质量差精度验证了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;并更新了近五十年前测量的超氚核的Λ(Lambda)分离能,显示了超氚核的Λ分离能比早期测量结果约大三倍。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(Principal authors)包括马余刚院士、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( “Measurement of the mass difference and the binding energy of the hypertriton and antihypertriton” ; :10.1038/s41567-020-0799-7)。 

  位于美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机将两束金离子加速到每核子100 GeV的能量,然后在STAR探测器中心对撞产生一种温度高达几万亿度的新物质形态——夸克-胶子等离子体态,这种物质被普遍认为存在于宇宙大爆炸后的几个微秒。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,并合成了大量的超氚核与反超氚核。超氚核是由一个中子、一个质子、一个Lambda 超子组成的束缚态,它与我们所熟知的普通物质,即由质子与中子组成的不一样,因为超氚核含有上夸克、下夸克外,还包含有奇异夸克。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,陈金辉及其指导的博士研究生刘鹏分析了STAR探测器收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。图一为在一个对撞事件中找到的一个反超氚衰变事件,金-金对撞产生的反超氚衰变为一个pi+介子(π+一个反质子 (p),一个反氘核 (d)。如图一所示,他们通过反超氚衰变产物在STAR探测器磁场中的运动轨迹曲率而测量其动量,然后通过产物的动量和质量就可以计算得出超氚核反超氚核的质量为: m=2990.89±0.12(stat.)±0.11(syst.)MeV/c2,其相对质量差别为:[0.1±2.0(stat.)±1.0(syst.)]10-4

  

  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。在很长一段时间里,人们一直认为物理规律都是遵循对称性的。后来,李政道和杨振宁发现了弱相互作用中宇称不守恒,并因此获得诺贝尔物理学奖。随后物理学家又发现了电荷-宇称的联合不守恒(CP 破坏),也获得了诺贝尔物理学奖。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用多种手段寻找CPT破坏的信号,其中之一是通过测量正反粒子质量差别来检验。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测量还非常稀少。该论文在世界上首次精确测量了含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参数提供实验限制。

  超氚核Λ分离能的测量也为我们理解天体性质、特别是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。超氚核作为一个天然的超子-核子相互作用系统,其Λ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Λ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。

  该测量是马余刚院士团队在发现反超氚核(Scince-2010)、反氦4核(Nature-2011)和反质子相互作用测量(Nature-2015)之后的又一系列成果。研究得到了国家自然科学基金委创新研究群体、基金委重大项目以及科技部、中科院项目的联合支持。