破紀(jì)錄的反物質(zhì)發(fā)現(xiàn)可以幫助我們找到暗物質(zhì)

在美國布魯克海文國家實驗室的實驗中，一個國際物理學(xué)家團隊檢測到了有史以來最重的“反原子核”。這些微小、短暫的物體由異國情調(diào)組成反物質(zhì)粒子。

對這些實體產(chǎn)生的頻率及其性質(zhì)的測量證實了我們目前對反物質(zhì)本質(zhì)的理解，并將有助于尋找另一種神秘的粒子——暗物質(zhì)– 在深空。

缺失的鏡像世界

反物質(zhì)的概念還有不到一個世紀(jì)的歷史。1928年，英國物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Dirac）提出了一個非常準(zhǔn)確的電子行為理論，該理論提出了一個令人不安的預(yù)測：具有負(fù)能量的電子的存在將使我們生活的穩(wěn)定宇宙變得不可能。

幸運的是，科學(xué)家們?yōu)檫@些“負(fù)能量”狀態(tài)找到了另一種解釋：反電子，或具有相反電荷的電子雙胞胎。反電子在1932年的實驗中被正式發(fā)現(xiàn)，從那時起，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)所有基本粒子都有自己的反物質(zhì)等價物。

然而，這引發(fā)了另一個問題。反電子、反質(zhì)子和反中子應(yīng)該能夠結(jié)合在一起，形成整個反原子，甚至是反行星和反星系。更重要的是，我們的理論宇宙大爆炸暗示等量的物質(zhì)和反物質(zhì)一定是在宇宙開始時創(chuàng)造的。

但是，無論我們在哪里看，我們都能看到物質(zhì)——而且只是微不足道的反物質(zhì)。反物質(zhì)去哪兒了？近一個世紀(jì)以來，這個問題一直困擾著科學(xué)家們。

被粉碎的原子碎片

今天的結(jié)果來自：STAR實驗，位于相對論重離子對撞機在美國布魯克海文國家實驗室。

該實驗的工作原理是以極高的速度將鈾等重元素的核心相互撞擊。這些碰撞產(chǎn)生了微小而強烈的火球，這些火球在大爆炸后的最初幾毫秒內(nèi)短暫地復(fù)制了宇宙的條件。

每次碰撞都會產(chǎn)生數(shù)百個新粒子，而STAR實驗可以檢測到它們的所有粒子。這些粒子中的大多數(shù)是短暫的、不穩(wěn)定的實體，稱為介子，但偶爾會出現(xiàn)更有趣的東西。

在STAR探測器中，粒子在磁場內(nèi)一個裝滿氣體的大容器中放大，并在其尾跡中留下可見的痕跡。通過測量軌跡的“厚度”以及它們在磁場中的彎曲程度，科學(xué)家們可以計算出產(chǎn)生它的粒子類型。

物質(zhì)和反物質(zhì)具有相反的電荷，因此它們的路徑將在磁場中向相反的方向彎曲。

“抗氫超氫”

在自然界中，原子核由質(zhì)子和中子組成。然而，我們也可以制造一種叫做“超核”的東西，其中其中一個中子被一個超子取代——一個稍重的中子版本。

他們在STAR實驗中檢測到的是由反物質(zhì)組成的超核，或反超核。事實上，它是有史以來最重、最奇特的反物質(zhì)核。

具體來說，它由一個反質(zhì)子、兩個反中子和一個反超子組成，名稱為反超氫-4。在產(chǎn)生的數(shù)十億個介子中，STAR研究人員只發(fā)現(xiàn)了16個抗超氫-4原子核。

(布魯克海文國家實驗室/Flickr/CC BY-NC-ND)

結(jié)果證實了預(yù)測

這篇新論文將這些新的和最重的反核以及許多其他較輕的反核與正常物質(zhì)中的對應(yīng)物進行了比較。超核都是不穩(wěn)定的，大約十分之一納秒后就會衰變。

將超核與它們相應(yīng)的反超核進行比較，我們發(fā)現(xiàn)它們具有相同的壽命和質(zhì)量——這正是我們對狄拉克理論的期望。

現(xiàn)有的理論也很好地預(yù)測了較輕的抗超核是如何更頻繁地產(chǎn)生，而較重的反超核是如何更罕見的產(chǎn)生。

還有影子世界嗎？

反物質(zhì)還與另一種奇特物質(zhì)暗物質(zhì)有著迷人的聯(lián)系。通過觀察，我們知道暗物質(zhì)滲透到宇宙中，并且比正常物質(zhì)普遍五倍 - 但我們從未能夠直接檢測到它。

一些暗物質(zhì)理論預(yù)測，如果兩個暗物質(zhì)粒子發(fā)生碰撞，它們將相互湮滅并產(chǎn)生物質(zhì)和反物質(zhì)粒子的爆發(fā)。然后，這將產(chǎn)生反氫和反氦 - 以及一個名為Alpha 磁譜儀國際空間站上的人正在尋找它。

如果我們確實在太空中觀察到反氦，我們怎么知道它是由暗物質(zhì)還是正常物質(zhì)產(chǎn)生的呢？好吧，像STAR的這個新測量結(jié)果讓我們校準(zhǔn)了我們的理論模型，以確定在正常物質(zhì)的碰撞中產(chǎn)生了多少反物質(zhì)。這篇最新論文為這種類型的校準(zhǔn)提供了豐富的數(shù)據(jù)。