想象一下，有一種工作，數(shù)據(jù)它要求科學家們在龐大的中撈針反66億數(shù)據(jù)中，如同大海撈針般尋找并識別出僅僅約16個極其微弱的從億超氫信號，這項工作就是數(shù)據(jù)尋找反物質(zhì)超核。

今年8月21日，中撈針反仇浩研究員團隊主導完成的從億超氫國際合作實驗研究成果在《自然》雜志上發(fā)表。團隊在相對論重離子碰撞實驗中觀測到一種新的數(shù)據(jù)反物質(zhì)超核——反超氫-4，這是中撈針反迄今實驗上發(fā)現(xiàn)的最重的反物質(zhì)超核。

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追夢宇宙大爆炸

在探討這一發(fā)現(xiàn)之前，中撈針反有必要先了解什么是從億超氫反物質(zhì)。

根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)物理學理論，每一種粒子都有其對應(yīng)的中撈針反反粒子，它們具有相同的質(zhì)量但相反的電荷。例如，電子的反粒子是正電子，質(zhì)子的反粒子是反質(zhì)子。當物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時，它們會相互湮滅，釋放出巨大的能量。

宇宙誕生之初，理論上應(yīng)該存在等量的正物質(zhì)和反物質(zhì)。然而，目前我們能觀測到的宇宙幾乎完全由正物質(zhì)構(gòu)成。這一明顯的正反物質(zhì)不對稱現(xiàn)象一直是物理學中的一個重大謎題。

為了解開這個謎團，科學家們提出了多種假設(shè)和理論。而在實驗上，解開這個謎團的一個重要思路，就是在實驗室中制造反物質(zhì)并研究它們的性質(zhì)。

仇浩，中國科學院近代物理研究所研究員，核物質(zhì)相結(jié)構(gòu)室主任。早在孩童時期，仇浩就通過《十萬個為什么》等課外讀物對物理和天文產(chǎn)生了濃厚的興趣。盡管被西安交通大學經(jīng)濟類專業(yè)錄取，但他最終決定追求初心，費盡周折轉(zhuǎn)入物理專業(yè)，全身心投入到物理學的學習和研究中。

“物理學是一門最基本的學科，它用優(yōu)美的形式描述了自然界一些最基本的規(guī)律，構(gòu)成了化學、生物等學科的基礎(chǔ)。能從事感興趣的專業(yè)是非常幸運的事。”

畢業(yè)后，仇浩被保送至近代物理研究所，并在導師徐瑚珊的建議下，于2008年赴美國螺旋管徑跡譜儀（STAR）實驗國際合作組學習。這個大型實驗組由十幾個國家的數(shù)百名科學家組成，大家根據(jù)自己的興趣選擇不同課題，利用美國相對論重離子對撞機開展高能核物理實驗。

“相對論重離子對撞機的最高對撞能量達200GeV，能把原子核加速到接近光速。”這種實驗條件能產(chǎn)生幾萬億度高溫的核物質(zhì)，模擬宇宙大爆炸早期的狀態(tài)。2010年和2011年，STAR實驗合作組分別宣布發(fā)現(xiàn)反超氚和反氦-4，當時還是博士生的仇浩在這兩項物理分析工作中做出了重要貢獻。

“反物質(zhì)核的研究難點，在于它們的產(chǎn)額非常低，而本底非常高。每增加一個反重子，反物質(zhì)核的產(chǎn)額會降低近千倍。因此在上世紀70年代發(fā)現(xiàn)反氚和反氦-3后，幾十年后才發(fā)現(xiàn)了新的、更重的反物質(zhì)核。”

4年的艱難探索

2019年，仇浩回到近代物理所，加入新成立的夸克物質(zhì)中心。在研究室的一次組會上，他從其他同事的課題匯報中，敏銳地發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：超氫-4的信號強度比預期的要大上四五倍。這個意外發(fā)現(xiàn)引發(fā)了他的好奇，并開始思考，反物質(zhì)超氫-4的信號是否也可能由于某種機制而同樣增大了四五倍呢？經(jīng)過初步計算，他驚喜地發(fā)現(xiàn)，如果確實是這樣，那么利用STAR實驗現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，就有可能發(fā)現(xiàn)反超氫-4這一新的反物質(zhì)核。

于是，他毫不猶豫地開始了這項研究。但是起初的興奮，卻換來了一無所獲。

“這個發(fā)現(xiàn)并不容易。我們花了一年多時間，幾乎什么都沒發(fā)現(xiàn)，大家都有些灰心。但仇老師一直沒有放棄，告訴我們還是很有希望的，帶領(lǐng)我們?nèi)シ治鲈颍瑖L試不同解決辦法。”團隊成員、博士生吳俊霖告訴記者。

2020年，在最初的研究階段，團隊面臨了巨大的挑戰(zhàn)。由于包含不穩(wěn)定的反超子，反超氫-4的壽命非常短，飛行僅僅幾個厘米后就會發(fā)生衰變，需要通過探測器看到的兩個衰變子體進行重構(gòu)，反推反超氫-4的存在。從每個事例幾千個末態(tài)粒子中挑出兩個來組合，會產(chǎn)生巨量的組合本底。因此團隊首先使用了包含高精度硅像素探測器的數(shù)據(jù)。然而，這種方式雖然能夠更精確地找到衰變頂點，有助于壓低本底，但卻存在著信號損失過多的問題，這導致團隊在最初的數(shù)據(jù)分析中一無所獲。

在一年多的努力無果之后，團隊又從頭開始，嘗試使用沒有硅像素探測器的數(shù)據(jù)。經(jīng)過一段時間的努力，終于看到了一個微弱的信號。

“使用不變質(zhì)量圖來識別信號，本底就像一個平緩的山嶺，信號則是一個小小的、比較窄的山峰。想辦法把平的東西往下壓，把窄的東西變大，這樣就能看見更多的信號。”仇浩表示。

在看到一絲希望之后，團隊繼續(xù)改進，努力壓低本底，進一步提高信號顯著度。其中每一項改進應(yīng)用到幾十億事例的龐大數(shù)據(jù)集上，都可能耗費一個月的時間。有些嘗試提高了信號顯著度，還有一些則沒有帶來明顯的改進。在此過程中，團隊成員相互支持鼓勵，在面對困難時共同尋找解決方案，終于通過嘗試新的算法取得了突破。

“我們最終采用了重建效率更高的一種算法——卡爾曼濾波算法進行衰變頂點重建。經(jīng)過無數(shù)次的嘗試和調(diào)整，我們在2021年8月看到了令人振奮的結(jié)果，清晰地捕捉到了反超氫-4的信號。”路坦興奮地說。

這一關(guān)鍵的改進起到了立竿見影的效果，團隊最終成功在66億次重離子碰撞事件的實驗數(shù)據(jù)中，找到了十幾個反超氫-4的顯著信號。反超氫-4由一個反質(zhì)子、兩個反中子和一個反超子組成，是目前實驗上觀測到的最重的反物質(zhì)超核。

然而，發(fā)現(xiàn)新的反物質(zhì)核的信號，只是一個美好的開始。新的反物質(zhì)超核的性質(zhì)如何？在重離子碰撞中會產(chǎn)生多少？這些問題需要通過嚴謹?shù)臏y量來回答。反超核的重建效率需要細致的計算和修正，雖然過程十分繁瑣，但只有經(jīng)過反復、多角度的檢查復核，才能得到正確的測量結(jié)果。

又經(jīng)過近兩年的努力，團隊完成了正/反超氚、正/反超氫-4的壽命測量，以及多種核的產(chǎn)額比測量。在測量精度范圍內(nèi)，反超核與其對應(yīng)的正物質(zhì)超核的壽命沒有明顯差異，再次驗證了正反物質(zhì)性質(zhì)的對稱性。

解開反物質(zhì)世界奧秘的一小步

2024年8月21日，反超氫-4研究成果發(fā)表在《自然》雜志上。團隊的科研成果贏得了認可，也引發(fā)了媒體和公眾的討論。

研究反物質(zhì)有什么用？這可能是很多公眾的疑問。“研究反物質(zhì)可以幫助我們理解物質(zhì)世界為什么存在，拓展知識邊界本身也是一種‘有用’。”仇浩告訴記者，反物質(zhì)的研究還能推動該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，提高人類制造、探測、利用反物質(zhì)的能力，為未來發(fā)現(xiàn)更多未知的反物質(zhì)奠定基礎(chǔ)。隨著科技的發(fā)展，人類甚至有可能把反物質(zhì)當作能量的載體，就如一些科幻作品中描述的那樣，通過正反物質(zhì)湮滅的能量進行宇宙航行。

“實際上，我們的夸克物質(zhì)中心才成立5年，但近代物理所一直給予了我們大力的支持。”仇浩感慨地說，“在回國前，我很難想象回國僅僅5年后，我能組建一個30多人的研究團隊。正是有了這樣強有力的支持，才能集合團隊的力量，發(fā)現(xiàn)反超氫-4。”

“未來，隨著強流重離子加速器裝置的建成，我們團隊將在我們國家自己的裝置上研究超核，尋找新的超核。超核所攜帶的信息，將有助于人們深入理解中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。同時，我們參與研制的無中微子雙貝塔衰變實驗，也有可能通過中微子引發(fā)的輕子數(shù)破缺，解釋宇宙正反物質(zhì)不對稱這一重要的科學問題。”仇浩表示。

對于仇浩和他的團隊來說，反超氫-4核的發(fā)現(xiàn)只是他們科研旅程中的一個小故事。他們深知，這只是解開反物質(zhì)世界奧秘的一小步。未來，他們將探索更多未知的粒子和現(xiàn)象，更加深入地理解宇宙如何演化，我們從何而來。

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