科学家首次测量到反物质间相互作用力

图1:1:星探测器探测到的两个反质子-反质子关联示意图

图2:反质子之间相互作用的示意图

由来自12个国家的52个科研单位组成的“星”小组最近在美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)上首次测量了反质子-反质子相互作用力，这对理解反物质的组成起着至关重要的作用。这篇论文发表在11月5日清晨的《自然》杂志上。反物质相互作用的第一次定量测量标志着人们反物质研究的新篇章，即从定性观察到定量相互作用研究的飞跃将对人们理解反物质的形成机制起到关键作用。

在正常情况下，反物质的生产极其罕见。到目前为止，还没有涉及反物质相互作用定量测量的实验。位于纽约州长岛的RHIC，用两束接近光速的金原子核模拟了大爆炸，产生了一种类似于大爆炸后几微秒的物质形态。这种物质是一种新形式的等离子体，由基本粒子组成，即夸克和胶子。它的温度极高，大约是太阳中心温度的25万倍。然后，夸克胶子等离子体迅速冷却，产生大约相同数量的质子和反质子，这为研究反质子之间的相互作用提供了极好的机会。这种相互作用力使原子核或反核结合成原子核或反物质核。研究反质子之间最简单的相互作用力可以为进一步研究反物质核之间更复杂的相互作用提供决定性的基础。

研究人员通过利用金-金碰撞中产生的大量反质子，测量反质子-反质子动量关联函数，并从其他粒子的衰变中扣除与其他反质子相关的污染，精确地构建了反质子-反质子关联函数。然后，他们结合量子多粒子关联理论提取反质子-反质子的有效范围和散射长度。研究表明，反物质和正物质之间的相互作用在实验精度范围内并无不同。换句话说，反质子和反质子之间的强相互作用有吸引力。它们可以克服反质子和相同数量(负电荷)的反质子之间的库仑排斥，并结合成反物质核。这项研究已经成为检测正负物质对称性的另一种新方法。

这项研究为理解自然界中物质和反物质之间的不对称性提供了新的基础。人类已知的自然界充满了普通物质，但反物质却非常稀少，这一直是科学家们的难题。在大爆炸的早期，夸克和反夸克成对产生，然后进化到现在。物质空间失去了数量的对称性。然而，这项研究指出，反物质和正物质之间的相互作用是对称的。换句话说，在相互作用的层面上，反物质相互作用仍然满足“电荷共轭-空间反射-时间反转(CPT)”的对称性。因此，为了彻底解决正负物质粒子不对称产生的问题，科学家需要全面研究正负物质的产生、相互作用和进化机制。因此，反物质研究有着广阔的前景。

中国是STAR合作小组的主要成员，中国科学院研究员马余刚是中国合作小组的召集人。中国成员包括中国科学院上海应用物理研究所、中国科学技术大学、华中师范大学、清华大学、山东大学和中国科学院现代物理研究所。在反物质相互作用力的第一次测量中，马余刚和他的研究团队与美国布鲁克海文国家实验室的唐爱红研究员合作，从2012年初提出的研究理念到历时3年多的困难数据分析做出了重要贡献。其中，的张博士完成了数据分析的全过程。

在反物质的系统研究方面，马余刚和他的团队成员分别在2010年和2011年发现了第一个反物质超级核(抗高渗)和最重的反物质核(抗氦4)。相关论文分别发表在《科学》和《自然》杂志上。前者在2010年被评为“中国十大科学进步”，后者在中国科学院出版的《科学发展报告》中被评为“2011年中国科学家的一些有影响的工作”。

该研究得到了国家“973”项目“高温高密度核材料形态研究”、国家自然科学基金创新项目“重离子物理学”和重大国际合作项目的支持。(原标题:中外科学家首次测量反物质相互作用)