反氦-4

英國《自然》（Nature）雜誌2011年4月24日公佈了由中美科學家合作研究的一項重要發現。位於布魯克海文國家實驗室的RHIC-STAR國際合作組探測到氦核的反物質粒子——反氦核。這種新型粒子又名反阿爾法粒子，是現今所能探測到的最重的反物質原子核。 ^[1] 

科技日報原引美國物理學家組織網2011年3月23日（北京時間）報道，美國布魯克海文國家實驗室相對論重離子對撞機國際合作組的科學家，首次觀察到了新型反物質反氦-4，這是科學家觀察到的首個最重反物質。 ^[2] 

反氦-4又名反阿爾法粒子，是氦核的反物質粒子。 ^[1]  反氦-4的現身進一步證實了負性物質的存在。 ^[3] 

高能對撞能形成夸克膠子等離子體，這種熾熱、稠密的物質包含數量大致相當的夸克和反夸克粒子。夸克膠子等離子體逐漸冷卻後會變成一種強子氣體併產生質子、中子和它們的反粒子。科學家們在金核相互對撞10億次後形成的強子氣體中共觀察到了18個反氦-4，證明反氦-4確實存在，其包含4個反物質粒子：2個反質子和2個反中子。科學家指出，較長一段時間內，反氦-4很可能是能觀察到的最重的反物質，並預測下一個可能會“現身”的更重反物質將是反鋰-6。 ^{[1]  [4]} 

布魯克海文國家實驗室的這次RHIC-STAR國際合作組實驗中，從觀察到的反氦-4數量表明，宇宙中反氦-4並不多，要在宇宙中觀察到反氦-4的可能性微乎其微。如果真的在宇宙中觀察到了反氦-4，這些反氦-4一定是由另一種機制所產生所形成，這種機制很可能在宇宙中很多地方產生大量反物質。 ^[2] 

兩個接近光速的金原子核對撞，會模擬出宇宙誕生時的那一聲“啼哭”——產生大約等量的正物質和反物質。科學家就在這不足萬億分之一秒的瞬間，在上萬億度的高温中，捕捉着各種反物質的蛛絲馬跡。

“RHIC上的一對金核碰撞大約會產生500個粒子，通過篩選10億次碰撞所產生的5000億個粒子，探測到了18個反物質氦-4原子核的信號。”RHIC-螺旋管徑跡探測器（STAR）國際合作組中國組負責人、中科院上海應用物理研究所科學家介紹，反物質的原子核由反質子、反中子構成，但其性質和正物質原子核相似。由於反物質存在時間很短，因此這些反物質粒子聚成穩定的原子核的幾率非常小。

在發現反氦-4之前，科學家一直持續於反物質的觀察，1932年，科學家首次觀察到反物質粒子-正電子。從此，越來越多更重的反物質逐漸映入科學家的眼簾。1955年觀察到的是反質子和反中子，在接下來的20年裏，科學家們依次觀察到了反氘核、反氦核-3。加速器和探測器技術的不斷改進讓科學家在1995年首次觀察到了反氫；2011年觀察到了新型反物質“反超氚”，“反超氚”是反氦-4出現之前最重的反物質，也是首個含有反夸克的粒子。隨後便幸運觀察到反氦-4——它由兩個反質子和兩個反中子組成，質量是質子的4倍。

這次發現反氦-4，主要得益於中國科學家所研製的大型飛行時間探測器。它為STAR提供了更清晰的“視力”，能精確區分出帶電粒子的蹤跡。STAR國際合作組發言人許怒研究員説，STAR中國合作組為在海量事件中捕捉到反氦-4作出了重要的貢獻。

中外科學家宣告發現人類所知最重的反物質——“反氦4”原子核。這被認為是尋找反物質路上的重要里程碑：因為在未來很長一段時間內，幾乎不可能發現更大質量的反物質原子核；因為下一個更重的穩定反物質原子核產生的可能性是反氦4的百萬分之一，現加速器技術幾乎不可能實現。 ^[6-7] 

在類似於早期宇宙的條件下，產生和研究反物質是一件非常有意義的事情：宇宙大爆炸之初產生了等量的物質和反物質，而現今所能觀測到的宇宙幾乎全部是由物質所構成的。什麼原因造成了物質和反物質的不對稱性，反物質在何處，這仍然是困擾物理學家的一個未解之謎。2011年4月即將發射升空的阿爾法磁譜儀(AMS)將安裝在國際空間站上去尋找宇宙的反物質，而STAR的這次測量結果將提供一個定量的背景估計值。 ^[4] 

科學家普遍認為，可能在未來很長一段時間內，反氦-4都會保持“最重反物質”的桂冠。因為反氦-4需要4個反核子聚在一起，而下一個更重的反物質應該是反鋰6，這就需要6個反核子聚集成一個原子核——其產生的可能性是反氦-4的百萬分之一。這需要將對撞機的能量大幅提高，或者把亮度增強上百萬倍，而現有的加速器技術幾乎不可能實現。

科學家之所以會對“最重反物質”如此着迷，其一是出於對宇宙嬰兒期的好奇：成對產生的正反物質，最終總是正物質佔了絕對優勢，原因何在。為此，2011年美國將向太空發射探測器，希望在宇宙中發現反氦-4的蹤跡。其二是受到巨大能量的誘惑，根據愛因斯坦的質能方程，當正反物質相遇湮滅時，所有質量都在一瞬間轉變為巨大能量，遠遠超過了核裂變、核聚變，而且不會存在核污染。反氦-4十分穩定，若不湮滅，原則上不衰變。越重的原子湮滅時產生的能量越大，這種看似大海撈針的尋覓，或許會誕生人類未來的能源方案。

現行主流觀點認為，宇宙誕生之初曾有等量的物質和反物質，兩者一旦接觸便相互湮滅抵消並釋出巨大能量。然而不知為什麼，人類所見萬物皆由物質構成，自然界裏似乎根本找不到反物質，這讓反物質學説仍只能是建立在假設的基礎上。或許，物質和反物質之間還有某些人類尚且不知的區別，正是這些區別才讓後者始終無法進入人類的視野。反物質謎團破解之時很可能就是人類揭曉宇宙起源之日。 ^[3] 

美國布魯克海文國家實驗室RHIC-STAR國際合作組（“STAR”國際合作組）位於紐約長島，研究團隊由來自包括中國在內的12個國家的54個科研單位組成，其中中國合作組成員包括中國科學院上海應用物理研究所、中國科學技術大學、中國科學院近代物理研究所、清華大學、華中師範大學、山東大學等。各國科學家從整整10億次碰撞事例中，篩選了由此產生的5000億個帶電粒子，並憑藉中國科學家主持研製的“大型飛行時間探測裝置（TOF）”，最終十分萬幸地探測到了18個反物質氦4原子核的信號。 ^{[4]  [6-7]} 

可以説，由中國科學家隊伍研製的“大型飛行時間探測裝置（TOF）”，在這次實驗中起了關鍵的作用。而清華大學工程物理系的研究團隊負責了探測器的研發和批量製作，實驗運行刻度及實驗數據分析，為實驗做出了突出貢獻。 ^[4]