近日，復(fù)旦大學(xué)和中科院上海應(yīng)用物理所重離子物理團(tuán)隊(duì)在反物質(zhì)系列研究上再次取得重要進(jìn)展，完成了超氚核與反超氚核質(zhì)量和結(jié)合能的精確測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次給出了超氚核與反超氚核以10^-4質(zhì)量差精度驗(yàn)證了CPT（電荷共軛變換-宇稱(chēng)反射-時(shí)間反演）對(duì)稱(chēng)性在奇異物質(zhì)原子核上的成立，這也是迄今為止CPT對(duì)稱(chēng)性驗(yàn)證的最重的反物質(zhì)原子核；并更新了近五十年前測(cè)量的超氚核的Λ（Lambda）分離能，顯示了超氚核的Λ分離能比早期測(cè)量結(jié)果約大三倍。研究結(jié)果以全體STAR合作組成員署名發(fā)表在英國(guó)倫敦時(shí)間2020年3月 9 日16:00  《自然·物理-Nature Physics》，論文的主要作者(Principal authors)包括馬余剛院士、陳金輝研究員、劉鵬博士研究生等，劉鵬和陳金輝為論文共同通訊作者（ “Measurement of the mass difference and the binding energy of the hypertriton and antihypertriton” ; https://www.nature.com/articles/s41567-020-0799-7；DOI：10.1038/s41567-020-0799-7)。 

　　位于美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)將兩束金離子加速到每核子100 GeV的能量，然后在STAR探測(cè)器中心對(duì)撞產(chǎn)生一種溫度高達(dá)幾萬(wàn)億度的新物質(zhì)形態(tài)——夸克-膠子等離子體態(tài)，這種物質(zhì)被普遍認(rèn)為存在于宇宙大爆炸后的幾個(gè)微秒。在夸克-膠子等離子體態(tài)冷卻過(guò)程中產(chǎn)生了大量含有奇異夸克的奇異強(qiáng)子及其反物質(zhì)，并合成了大量的超氚核與反超氚核。超氚核是由一個(gè)中子、一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)Lambda 超子組成的束縛態(tài)，它與我們所熟知的普通物質(zhì)，即由質(zhì)子與中子組成的不一樣，因?yàn)槌昂撕猩峡淇?、下夸克外，還包含有奇異夸克。因此對(duì)超氚核的研究將極大地豐富我們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。

　　在該項(xiàng)研究中，陳金輝及其指導(dǎo)的博士研究生劉鵬分析了STAR探測(cè)器收集的每核子對(duì)撞能量為100 GeV的金-金對(duì)撞產(chǎn)生的海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。他們?cè)诖蠹s46億個(gè)金-金對(duì)撞事件中找到了156個(gè)超氚信號(hào)和57個(gè)反超氚信號(hào)。圖一為在一個(gè)對(duì)撞事件中找到的一個(gè)反超氚衰變事件，金-金對(duì)撞產(chǎn)生的反超氚衰變?yōu)橐粋€(gè)pi⁺介子（π⁺），一個(gè)反質(zhì)子 (p)，一個(gè)反氘核 (d)。如圖一所示，他們通過(guò)反超氚衰變產(chǎn)物在STAR探測(cè)器磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡曲率而測(cè)量其動(dòng)量，然后通過(guò)產(chǎn)物的動(dòng)量和質(zhì)量就可以計(jì)算得出超氚核反超氚核的質(zhì)量為: m=2990.89±0.12(stat.)±0.11(syst.)MeV/c²，其相對(duì)質(zhì)量差別為：[0.1±2.0(stat.)±1.0(syst.)]10^-4。

　　圖一：在金-金對(duì)撞中產(chǎn)生的大量次級(jí)粒子中找到的其中一個(gè)反超氚衰變事件。 左側(cè)為STAR探測(cè)器時(shí)間投影室記錄到的次級(jí)粒子軌跡信息。右側(cè)為重味徑跡探測(cè)器的放大圖。重味徑跡探測(cè)器安裝在時(shí)間投影室的正中間。圖片來(lái)源：Nature Physics（https://www.nature.com/articles/s41567-020-0799-7）

　　對(duì)稱(chēng)性在自然界中普遍存在。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，人們一直認(rèn)為物理規(guī)律都是遵循對(duì)稱(chēng)性的。后來(lái)，李政道和楊振寧發(fā)現(xiàn)了弱相互作用中宇稱(chēng)不守恒，并因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。隨后物理學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了電荷-宇稱(chēng)的聯(lián)合不守恒（CP 破壞），也獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。目前CPT理論認(rèn)為一切物理過(guò)程在電荷、宇稱(chēng)、時(shí)間聯(lián)合變換時(shí)具有不變性，并且認(rèn)為物質(zhì)與反物質(zhì)具有完全相同的質(zhì)量。物理學(xué)家一直試圖在實(shí)驗(yàn)上用多種手段尋找CPT破壞的信號(hào)，其中之一是通過(guò)測(cè)量正反粒子質(zhì)量差別來(lái)檢驗(yàn)。目前對(duì)正反K介子的質(zhì)量測(cè)量顯示在10^-18精度上正反K介子質(zhì)量相等。盡管對(duì)各類(lèi)強(qiáng)子的正反粒子做了很多測(cè)量，但是目前在原子核層面上的測(cè)量還非常稀少。該論文在世界上首次精確測(cè)量了含反奇異夸克原子核反超氚與超氚核的質(zhì)量差別，并且以10^-4精度驗(yàn)證了CPT對(duì)稱(chēng)性在超核上的成立。該測(cè)量也是迄今為止CPT對(duì)稱(chēng)性驗(yàn)證的最重的反物質(zhì)原子核。測(cè)量結(jié)果將對(duì)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)模型參數(shù)提供實(shí)驗(yàn)限制。

　　超氚核Λ分離能的測(cè)量也為我們理解天體性質(zhì)、特別是中子星性質(zhì)提供關(guān)鍵幫助。理論認(rèn)為中子星內(nèi)部存在奇異物質(zhì)，因此超子-核子、超子-超子之間的相互作用信息對(duì)理解中子星狀態(tài)方程有著十分重要的意義。超氚核作為一個(gè)天然的超子-核子相互作用系統(tǒng)，其Λ分離能大小與超子-核子相互作用強(qiáng)度有直接關(guān)系。此次測(cè)量的超氚Λ分離能表明超子-核子之間的相互作用強(qiáng)度可能要比科學(xué)家早期認(rèn)為的強(qiáng)得多。最新的測(cè)量結(jié)果將為理論計(jì)算超子-核子之間相互作用提供更為精確的限制。

　　該測(cè)量是馬余剛院士團(tuán)隊(duì)在發(fā)現(xiàn)反超氚核（Scince-2010）、反氦4核（Nature-2011）和反質(zhì)子相互作用測(cè)量(Nature-2015)之后的又一系列成果。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、基金委重大項(xiàng)目以及科技部、中科院項(xiàng)目的聯(lián)合支持。