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    我国科学家在反物质研究领域中取得进展

    日期 2020-04-21   来源:数理科学部   作者:李会红  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:11421505、11890710、11890714)等资助下,复旦大学马余刚院士领导的团队在反物质研究方面取得进展,完成了超氚核与反超氚核质量和结合能的精确测量。相关研究成果以“超氚核与反超氚核的质量差与结合能的测量(Measurement of the mass difference and the binding energy of the hypertriton and antihypertriton)”为题,于2020年3月9日发表在《自然·物理》(Nature Physics)杂志上。论文链接:https://doi.org/10.1038/s41567-020-0799-7。

      超氚核是由一个中子、质子、 超子组成的原子核,它与传统原子核不一样,超氚核除含有上夸克、下夸克外,还包含有奇异夸克。在该项研究中,通过分析探测器收集的每核子能量为100 GeV的金-金对撞产生的海量实验数据,在大约46亿个金-金对撞事件中找到了高分辨率的156个超氚信号和57个反超氚信号(如图1所示)。

    图1. 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候选事件
    (左侧为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)

      对称性在自然界中普遍存在,电荷共轭变换-宇称反射-时间反演(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。该项研究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(图2),以10-4精度验证了CPT对称性在超核上的成立,这是迄今为止CPT对称性验证的最重反物质原子核。测量结果将对扩展标准模型参数提供实验限制,极大地深化人类对物质世界的认识。

    图2. 原子核与反物质原子核的相对质量电荷比的差别(五角星表示本次实验测量结果)

      超氚核 结合能测量为人类理解中子星性质提供重要信息。超氚核作为一个天然的超子-核子相互作用系统,其 结合能大小与超子-核子相互作用强度有直接关系,该信息对理解中子星状态方程有重要意义。该项研究测量得到的超氚核 结合能为0.41±0.12(统计误差)±0.11(系统误差)MeV(图3),更新了近五十年前的测量结果,比早期测量结果约大三倍,这表明超子-核子之间的相互作用强度可能要比科学家早期认为的大许多,最新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参数限制。

    图3. 本次测量超氚核的结合能与以前的实验与理论值比较(五角星表示本次实验测量结果)




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