中國科學技術大學高能核物理團隊與蘭州近代物理研究所合作，在RHIC-STAR國際合作重離子碰撞實驗中首次發現了一種新反物質超核——反超氫-4核，這是迄今實驗上發現的最重的反物質超核。研究成果以“Observation of the antimatter hypernucleus anti-hyperhydrogen-4” 為題，于8月21日在線發表于《自然》雜志上。這是STAR實驗繼發現反超氚核、反氦4核以來在反物質探索領域的又一次重大突破。

圖：重離子碰撞產生反物質超氫-4核示意圖（上）；反物質超氫-4核不變質量信號（下）

反物質和普通物質的不對稱性是現代物理學的一個基本問題。我們生活的世界和現今的宇宙中為何絕大多數的物質都是正物質？這仍然是一個謎。1931年安德森正電子的發現證實了狄拉克方程反物質的猜想。此后科學家們相繼發現了反質子、反中子，反氘核等等。越重結構越復雜的反物質，在自然界中的產率就越低，且呈指數下降，每增加一個反核子（質量數A+1），其產率就下降約1000倍，這導致在實驗上發現發物質極其困難。人們猜想在宇宙“大爆炸”的初期，極端高溫高密度的條件下，可能存在與正物質等量的反物質，但由于絕大多數正物質與反物質發生湮滅，并且隨著宇宙膨脹溫度降低，約百億分之一的正物質存活下來，演變為現今的世界。運行在美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子加速器RHIC可以將兩束重原子核（例如金核）加速到每核子100GeV的能量，并使其對撞，從而可以在碰撞瞬間產生幾萬億度的高溫火球，被人們稱為“小爆炸”，以此模擬宇宙“大爆炸”初期的環境，為發現反物質創造了良好的條件。

反超氫-4核由一個反質子、兩個反中子和一個反Lambda超子組成。研究團隊在相對論重離子加速器RHIC的STAR實驗上，在66億個重離子對撞事例中找到了約16個反超氫-4核，并首次測量了其壽命，發現與普通超氫-4核的壽命在誤差范圍內一致，進一步驗證了正反物質在壽命這一內稟屬性上的對稱性。反超氫-4核是目前實驗上觀測到的最重的反物質超核。它的發現和性質研究，使人類在反物質及正反物質對稱性的探索方面又邁出了重要一步。

中國科大高能核物理團隊張一飛教授、博士生李東升作為該論文的主要作者參與了相關物理分析，在發展基于卡爾曼濾波方法的粒子衰變拓撲重建關鍵技術、粒子重建效率計算方面作出了重要貢獻。團隊主導研制的基于MRPC技術的飛行時間探測器TOF，極大拓展了STAR實驗上帶電粒子的鑒別能力，也為此次反超氫-4核的發現提供了末態衰變產物鑒別的關鍵作用。值得一提的是，中國科大高能核物理團隊在第一個反物質超核——反超氚的發現中也作出了重要貢獻，相關成果發表SCIENCE, 328 (2010) 5974上。相比反超氚，反超氫4僅僅多了一個反中子，實驗上的尋找難度就增大了很多，又經十四年才得以發現。此外，近年來團隊還在超氚核與超氫-4核的壽命測量中作出了重要工作，相關成果發表在Phys. Rev. Lett. 128 (2022) 202301上。

RHIC-STAR是基于美國布魯克海文國家實驗室相對論重離子對撞機（RHIC）上STAR實驗的大型國際合作組，由來自14個國家74個單位的700多位科研人員組成。該項研究受到了國家自然科學基金委、科技部等單位的經費資助。

相關鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07823-0

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07823-0

（物理學院、核探測與核電子學國家重點實驗室、科研部）