他们如何发现“最重”反粒子

黄辛

2017年01月25日08:15  来源:《中国科学报》
 
原标题:他们如何发现“最重”反粒子

  ■本报记者 黄辛 见习记者 朱泰来

  “大爆炸宇宙论”认为,宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后形成,之后逐渐膨胀、演化、发展到了今天的物质世界。理论上认为,在大爆炸时,正物质与反物质(具有与正物质相反的电荷,但性质相同)是等量存在的;并且,之后的几个微秒内,还会存在着一种新的物质形态,即由物质的基本单元:夸克和胶子组成的等离子体。

  然而现实世界中,人们很少观测到反物质,也一直未能观测到夸克和胶子组成的等离子体。这成为现代物理学的一个重要问题。

  如今,一项2016年度国家自然科学奖二等奖的成果,使寻找和理解这种新的夸克物质,并探索正反物质不对称性的深刻机理这一“难题”大大前进了一步。

  十年后的亮剑

  两个金原子核在接近光速下对撞,会模拟出宇宙诞生时的那一声“啼哭”,产生大约等量的正物质和反物质。一对金核碰撞,大约会产生500个粒子,科学家通过筛选10亿次碰撞出的5000多亿个粒子,来寻找各种基本粒子的踪迹。

  中科院上海应用物理研究所马余刚团队为了探寻这第一声“啼哭”,围绕“重离子碰撞中的反物质探测与夸克物质的强子谱学与集体性质研究”项目,孜孜以求数十年,换来了久违的国家自然科学奖。

  “这是新世纪以来在原子核物理领域颁发的第三个国家奖。”马余刚告诉《中国科学报》记者,之前两位分别是2001年由上海应用物理研究所沈文庆院士领衔的“重离子核反应的集体效应和奇异核产生及其性质研究”,获国家自然科学奖二等奖;2007年度由中科院近代物理研究所主持完成的“中重缺中子区近滴线新核素合成及核结构实验研究”,获国家自然科学奖二等奖。

  这之后的近十年时间内,整个核物理领域在国家奖上的获奖状态一直是空白。十年磨一剑,这个奖项实至名归。

  迎难而上的科学家

  为探寻宇宙婴儿期的奥秘,核物理学家成立了一个国际合作组RHIC-STAR。利用美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC),让金原子核在接近光速下碰撞,通过螺旋管径迹探测器(STAR),来追寻各种基本粒子的蛛丝马迹,比如夸克物质形态、反物质粒子。

  “大多数国外的科学家都把目光集中在研究数量庞大的传统粒子上,但STAR—中国组则挑了块‘硬骨头’——寻找反物质。”前STAR国际合作组发言人许怒教授说,在初次筛选中,反物质粒子太过稀少,很多国外科学家都放弃了这个“希望不大”的领域,而马余刚领衔的中国科学家却迎难而上。

  在实验中累积的5000多亿个粒子中,反超氚粒子只有70个;反氦4粒子更只有十几个。发现、证实这些粒子的存在,离不开高精度的STAR探测器及其子件“飞行时间探测器”(TOF),而后者正是中国科学家们通力合作的成果。以上成果已分别发表于《科学》《自然》杂志。“TOF在该发现中起了关键作用,中国STAR组成员在数据分析中作出重大贡献。”STAR国际合作组发言人许长补表示。

  “没有TOF,我们就发现不了迄今最重的反粒子。”项目完成人之一的中科大教授陈宏芳说,STAR原有探测器在高动量区域的分辨率不够高,找不出混迹在其他粒子中的反氦4,但TOF却能敏锐地抓住它的踪迹。

  “能获得这些新发现,与加入大型国际合作组织RHIC-STAR有密不可分的关系。”马余刚感慨万分。之前,我国虽然有加速器,但仅适用于中低能重离子核反应和核结构实验,缺乏做高能重离子物理实验的大型加速器和实验设备。另外,当时国内高能核物理的研究工作主要偏向理论研究,亟待建设一支强有力的实验队伍。因此与大型国际组织开展合作,成为我国高能核物理发展突破重围的迫切要求。

  幸运的是,2000年由中科院院士沈文庆等召集组织了国内的相关6家科研单位和高校构成了STAR—中国组。

  面向未来的前沿交叉

  在马余刚看来,加入大型国际组织,带来的不仅仅是科学前沿的研究本身,更重要的是培养塑造了一支高水平的实验团队。通过与国际先进团队的接触和对前沿技术的学习,国内高能核物理的实验团队一下子跨越到了国际水平。“2016年获得国家自然科学奖离不开这支优秀的团队。要感谢研究组的每一位成员。”他说。

  在这项研究中,科研人员发现了首个反物质超核—反超氚核与反氦4核;通过强子谱学和集体性质研究给出夸克胶子等离子体的信号;研制成功了RHIC-STAR的大型飞行时间探测器,并首次运用在高能重离子对撞机实验上。

  这些原创性成果受到国际广泛关注,对人们认识自然界的物质形态和理解宇宙早期物质形态的演化等具有十分重要的意义。

  与核电站、核医疗设备等应用领域相比,马余刚的课题组属于基础研究,并不那么引人注目。“可他视野宽广,已瞄准在更高能量的重离子对撞机开展新的实验:欧洲核子中心的ALICE合作组,同时在上海本地开展新的核物理前沿交叉方向,即上海光源上的光核物理和超强超短激光—核物理研究。”中科院院士沈文庆说。

  上海应用物理所所长赵振堂如此评价,马余刚团队一直不断探索核物理新的前沿方向,目前正在承担国家大科学工程“上海光源的升级工程”上的激光—伽马光建设项目,将在光与核物理的交叉领域拓展新的研究。

(责编:魏艳、赵竹青)

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