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          反物質超核質量和結合能的精確測量取得重要進展

          2020/03/11 | 【 【打印】【關閉】 | 訪問次數:

          近日,復旦大學和中科院上海應用物理所重離子物理團隊在反物質系列研究上再次取得重要進展,完成了超氚核與反超氚核質量和結合能的精確測量。實驗結果首次給出了超氚核與反超氚核以10-4質量差精度驗證了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;并更新了近五十年前測量的超氚核的Λ(Lambda)分離能,顯示了超氚核的Λ分離能比早期測量結果約大三倍。研究結果以全體STAR合作組成員署名發表在英國倫敦時間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)。 

          位于美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機將兩束金離子加速到每核子100 GeV的能量,然后在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于宇宙大爆炸后的幾個微秒。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,并合成了大量的超氚核與反超氚核。超氚核是由一個中子、一個質子、一個Lambda 超子組成的束縛態,它與我們所熟知的普通物質,即由質子與中子組成的不一樣,因為超氚核含有上夸克、下夸克外,還包含有奇異夸克。因此對超氚核的研究將極大地豐富我們對物質世界的認識。

          在該項研究中,陳金輝及其指導的博士研究生劉鵬分析了STAR探測器收集的每核子對撞能量為100 GeV的金-金對撞產生的海量實驗數據。他們在大約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。圖一為在一個對撞事件中找到的一個反超氚衰變事件,金-金對撞產生的反超氚衰變為一個pi+介子(π+一個反質子 (p),一個反氘核 (d)。如圖一所示,他們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,然后通過產物的動量和質量就可以計算得出超氚核反超氚核的質量為: m=2990.89±0.12(stat.)±0.11(syst.)MeV/c2,其相對質量差別為:[0.1±2.0(stat.)±1.0(syst.)]10-4

          圖一: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 Physicshttps://www.nature.com/articles/s41567-020-0799-7

          對稱性在自然界中普遍存在。在很長一段時間里,人們一直認為物理規律都是遵循對稱性的。后來,李政道和楊振寧發現了弱相互作用中宇稱不守恒,并因此獲得諾貝爾物理學獎。隨后物理學家又發現了電荷-宇稱的聯合不守恒(CP 破壞),也獲得了諾貝爾物理學獎。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,并且認為物質與反物質具有完全相同的質量。物理學家一直試圖在實驗上用多種手段尋找CPT破壞的信號,其中之一是通過測量正反粒子質量差別來檢驗。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。盡管對各類強子的正反粒子做了很多測量,但是目前在原子核層面上的測量還非常稀少。該論文在世界上首次精確測量了含反奇異夸克原子核反超氚與超氚核的質量差別,并且以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參數提供實驗限制。

          超氚核Λ分離能的測量也為我們理解天體性質、特別是中子星性質提供關鍵幫助。理論認為中子星內部存在奇異物質,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十分重要的意義。超氚核作為一個天然的超子-核子相互作用系統,其Λ分離能大小與超子-核子相互作用強度有直接關系。此次測量的超氚Λ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。

          該測量是馬余剛院士團隊在發現反超氚核(Scince-2010)、反氦4核(Nature-2011)和反質子相互作用測量(Nature-2015)之后的又一系列成果。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。(科研處 供稿)

           

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