科学家们创造出迄今最重的反物质原子核

原子示意图。

科学家们制造出了有史以来最重的反物质原子核，虽然它仅由四个反物质粒子组成，但这个数量已经相当多了。反物质是通过将相似的粒子撞击在一起，直到它们分裂并爆炸而制造的。虽然粒子对撞机的研究成本高昂，但反物质研究在理论和医学上都具有重要价值。

反物质（antimatter）听起来像是科幻小说中的概念，但它却非常真实。正电子（positron）或许是最著名的反物质，它为艾萨克‧阿西莫夫科幻小说中的机器人和《星际迷航》（Star Trek）里的安卓（Android）机器人提供动力。正电子在大约100年前被发现，是电子（electron）的反物质形式。1950 年代，科学家们又通过高速撞击质子从而得到反质子。

位于纽约州长岛的布鲁克海文国家实验室有一台“相对论重离子对撞机”，它通过加速粒子并将其撞击在一起，而重现接近大爆炸的条件，借此将粒子分裂为物质和反物质。最近，科学家利用这台对撞机发现了一种名为反超重氢-4（antihyperhydrogen-4）的反物质超重原子核。这项新研究已于8月21日发表在《自然》（Science）期刊上。

这一极其重要的发现包含一个反质子、两个反中子和一个反 Lambda 超子，这些粒子都是从猛烈的碰撞中飞出。但要理解这一切的意义，人们需要做一些深入的解释。

其实，反粒子被发现只是迟早的事情。当一个粒子受到强力撞击时，照理说应该会被摧毁。然而，这其实会产生一个反粒子，然后两者在微小的纳秒瞬间内飞开。由于它们带有相反的电荷，粒子和反粒子会被彼此吸引回来，然后粒子会湮灭掉。整个过程所需的时间极其微小，并且需要消耗极其巨大的能量，因此在对撞机中制造出比单个反粒子更大的任何东西都是非常困难的。

但这并非完全不可能。科学家们多年来已经制造了多对粒子-反粒子，而做出新发现团队的目标是使用一种特定的粒子来创造有史以来最重的反物质粒子：超重氢（hyperhydrogen）的反粒子。超重氢是一种含有一个额外粒子的重氢原子核，其成分包括一个质子，两个中子，及一个被称为Lambda的超子，这个超子与质子和中子来自同一家族，但内部具有不同的三夸克组合。Lambda 超子的反粒子，即反 Lambda 超子，不稳定并会导致整个反原子核迅速分裂。

新研究新发现

然而，在那发生之前，这个反原子核的确形成了超重氢的反粒子镜像的核心——反超重氢原子核。实际上，在这种情况下，它是反超重氢-4的核心，这是一种包含四个反粒子的同位素。

“在分析了大约 66 亿次重离子碰撞事件的实验数据后”，参与该项目的博士生吴俊霖在声明中解释道，“我们从其衰变产物中重建了反超重氢-4，并识别出约 16 个反超重氢-4的信号。”换句话说，这种反同位素衰变得如此之快，以至于其化学和物理特征实际上只存在于它留下的残迹中，而不是反同位素本身，这些残迹包括反氦原子核。

研究反物质是宇宙学和天体物理学的重要组成部分，因为这些反应在非常年轻的宇宙中会自然发生，并且在宇宙中的某些特殊条件下仍然会持续发生。此外，反物质还为正电子发射断层扫描（PET扫描）提供了动力，即人体内的正电子与电子相互作用而湮灭，产生伽马射线，这些伽马射线可以被测量以评估身体各项生理过程的运作情况。

这种应用使人们更有理由持续探索反物质的奥秘。然而，目前人们对反物质的理解仍然非常有限。在基本层面上，人们无法解释为何在物质和反物质以相等比例产生并相互分离的情况下，观测到的宇宙中却存在如此多的物质而如此少的反物质。大部分反物质究竟去哪里了?