CERN物理學家首次發現反超氦-4的證據

歐洲核子研究組織（CERN）大型強子對撞機（LHC）上，參與ALICE合作實驗的物理學家們，首次觀測到了反超氦-4的存在證據。反超氦-4由兩個反質子、一個反中子和一個反拉姆達粒子所組成。此一新成果，也代表著在LHC上首次發現最重反物質超核的證據。

鉛離子對撞中反超氦-4生成示意圖。圖片出處：J. Ditzel （人工智慧協助）

LHC上重離子間的對撞會產生夸克膠子等離子體，這是一種高溫高密度的物質狀態，據信在大爆炸後約百萬分之一秒時，整個宇宙都充滿著此種物質。

重離子對撞也為原子核、奇異超核及其反物質對應物（反原子核和反超核）的產生，創造了適宜的條件。

對這些物質形式的測量，具有多項重要意義，包括有助於理解從等離子體的夸克和膠子組分中如何形成強子，以及理解當今宇宙中所觀察到的物質-反物質不對稱現象。

超核是由質子、中子和超子混合形成的奇異原子核，其中超子是含有一個或多個奇異夸克的不穩定粒子。

自從在宇宙射線中發現超核至今，已過七十餘年，超核一直吸引著物理學家的目光。因其在自然界中極為罕見，要在實驗室中創造和研究它們，也充滿挑戰。

在重離子對撞中，會產生大量的超核。但直到近期，人們只觀測到了最輕的超核——超氚核（由一個質子、一個中子和一個拉姆達粒子組成），以及它的反物質伴侶——反超氚核（由一個反質子、一個反中子和一個反拉姆達粒子組成）。

在近期觀測到反超氫-4之後，ALICE合作組的物理學家們又探測到了反超氦-4。

此結果的統計顯著性達到3.5個標準差，也代表著在LHC上首次發現最重反物質超核的證據。

ALICE的這項測量，是基於2018年收集的鉛-鉛對撞資料，每對碰撞的核子（質子和中子）能量為5.02太電子伏特（TeV）。

研究人員運用了一種比傳統超核搜尋技術更優越的機器學習方法，在資料中尋找超氫-4、超氦-4及其反物質伴侶的訊號。

（反）超氫-4的候選事例，是透過尋找（反）氦-4原子核及其衰變產生的帶電π介子來鑑定的；而（反）超氦-4的候選事例，則是透過其衰變產物——（反）氦-3原子核、（反）質子和帶電π介子來鑑定。

除了以3.5個標準差的顯著性發現反超氦-4的證據，以及以4.5個標準差的顯著性發現反超氫-4的證據外，ALICE團隊還測量了這兩種超核的產生產額和質量。

科學家們表示：「對於這兩種超核，測量得到的質量與目前世界平均值相符。」

「測量得到的產生產額，與統計強子化模型的預測進行了對比，該模型能很好地描述重離子對撞中強子和原子核的形成。」

「對比結果顯示，如果在預測中同時考慮超核的激發態和基態，模型的預測與資料吻合得很好。」

「這些結果證實，統計強子化模型也能很好地描述超核的產生，超核是尺寸約為2飛米的緻密物體。」

論文作者還確定了這兩種超核的反粒子與粒子產額比，發現它們在實驗誤差範圍內與1相符。

他們總結道：「這一相符結果，與ALICE在LHC能量下觀測到的物質和反物質等量產生的現象一致，也為正在進行的宇宙物質-反物質不平衡研究增添了新的證據。」