8月21日，《自然》杂志刊登了一个重要成果：在由中国科学院近代物理研究所研究员仇浩团队主导完成的一项国际合作研究中，科学家首次观测到迄今实验上发现的最重的反物质超核——反超氢-4。

重离子碰撞产生反物质超核——反超氢-4示意图 （图片来源：近代物理研究所）

看到这项研究，你可能还在云里雾里：“反物质超核”“反超氢-4”究竟是什么？图片中奇怪的字母又代表什么意思？别担心，让我们先从神秘的反物质说起。

很多人第一次听说反物质可能是源于科幻作品。在刘慈欣的科幻小说《三体》中，维德手下的人类战士拥有反物质武器，一颗小小的子弹就能摧毁一艘巨大的飞船。科幻电影《星际迷航》的宇宙飞船借助曲速引擎实现超光速航行，使用的燃料也是反物质。其实，“反物质”并不是科幻小说的妄想，而是真实的存在。

《星际迷航》反物质驱动的飞船 （图片来源：Paramount）

在自然界中，绝大多数物质都是由原子或分子组成的，这些物质被科学家称为普通物质或正物质。往更小的尺度细分，原子由原子核和电子组成，原子核由带正电的质子和不带电的中子组成，质子和中子又各由三个夸克组成。

与普通物质不同，反物质是由反粒子构成的。所谓反粒子是相对于质子、电子等正常粒子而言的，它们的质量、寿命、自旋都与正常粒子相同，但电荷、重子数、奇异数等与正常粒子大小相同、符号相反，就像是镜面世界中的两个镜像。例如，我们熟知的电子是带负电的，而电子的反物质粒子是一种质量与电子相同、但电荷带正电的粒子，被科学家称为“正电子”。

正电子是人类发现的第一种反粒子。20世纪初，保罗·狄拉克为了解释狄拉克方程的负能解，预言了正电子的存在。1932年，卡尔·戴维·安德森利用威尔逊云室研究宇宙射线时，在照片中发现了某种粒子留下的奇怪径迹。通过径迹判断，这个粒子和电子的偏转程度相同，偏转方向却相反，说明这个粒子虽然质量和电子相同，但带的是正电。实验证明了正电子的存在，安德森也因此获得了1936年的诺贝尔物理学奖。

安德森在威尔逊云室中首次发现正电子的实验照片，弧线即正电子留下的轨迹。（图片来源：wiki）

自然界中存在有少量的反粒子，例如在我们日常吃的香蕉里，钾的同位素钾-40发生衰变时就能产生正电子。每一种粒子都有自身对应的反粒子，比如质子和反质子、中子和反中子、夸克和反夸克等。有一些特殊的粒子，比如光子，它们的反粒子就是自身。反粒子一般用对应粒子的符号上方加一横线来标记，如质子用符号p表示，反质子的符号就是p上加一横。

反物质还有一个特点：互为反物质的两个粒子相遇会发生湮灭，同时释放能量。粒子和反粒子就像是一对双胞胎兄弟，两人长得几乎一模一样，却不知有什么深仇大恨，一旦见面就要打成一团。

正反粒子湮灭过程中释放的能量可以用爱因斯坦质量方程E=mc2计算。我们只需要一勺子质量为0.5克的反物质，让它与相应的正物质发生湮灭，产生的能量就大致能和投放到广岛的原子弹爆炸能量相当。正因如此，反物质备受科幻作品的青睐，在小说和电影中想象为人类提供无尽能源或者制造致命武器。

正反物质湮灭示意图 （图片来源：中国科学院近代物理研究所）

理解了物质结构和反物质，我们才能搞清楚什么是反物质超核。

上文说到，质子和中子是由夸克组成的，而目前已知的夸克总共有6种：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)及顶夸克(t)。质子含有2个上夸克和1个下夸克，中子含有1个上夸克和2个下夸克，这种由3个夸克组成的复合粒子称为重子。

目前已知共有6种夸克（图片来源：Wikidata）

夸克的种类这么多，重子的组成也不必像质子和中子局限于两种夸克。有一类至少含有一个奇异夸克的重子叫做超子，根据组成夸克的不同，分为Σ超子、Λ超子、Ω超子等。超子和原子核的质子或中子之间形成束缚态，就能构成特殊的结构——超核。

1个Λ超子、1个质子分别与1个中子和2个中子形成超氚核和超氢-4核（图片来源：参考资料[5]）

和质子、中子和电子能形成原子相对应，反质子、反中子和正电子在理论上同样能构成“反原子核”或“反原子”。把超核里面的粒子全部替换为相应的反物质粒子，即让反质子、反中子和反重子束缚在一起，我们就得到了“反物质超核”。

（反）超核的艺术效果图。中间是三个（反）质子/中子，外部是一个（反）超子（图片来源：RIKEN）

然而，反物质超核难以在自然界中稳定存在。要像深入研究这一类结构更加复杂的反物质，人类必须借助一种强大的工具——高能粒子加速器。

高能粒子加速器是一种通过加速粒子到极高能量、进而发生各类物理反应的装置。反物质超核的质量是电子质量的上万倍，一般的粒子加速器很难产生质量这么大的反物质，科学家们需要使用一种特殊的粒子加速器——相对论性重离子对撞机。这种加速器里面加速的不是电子或质子，而是质量很大的重原子核，例如金原子核。金原子核内部有197个核子，如果我们将两束金原子核一起加速到极高的速度并让它们相撞，金原子核内部的众多核子在对撞瞬间将积累极高的能量，温度急剧升高达到“熔融”状态，产生大量的各种新粒子。

两束重离子发生对撞，产生大量粒子 （图片来源：欧洲核子中心）

此次由中国科学院近代物理研究所团队主导发现的反超氢-4就是在相对论重离子碰撞实验中产生的。实验使用的粒子加速器是美国布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的相对论重离子对撞机（RHIC），金核－金核对撞每核子对质心系能量达200吉电子伏特(GeV)，能将重离子束加速至接近光速并使其对撞。这种对撞能产生几万亿度的高温火球（比太阳中心温度要高十万倍），几乎达到宇宙大爆炸的早期状态，对撞产生几乎等量的正物质与反物质。在火球迅速膨胀、冷却的过程中，一部分反物质有机会逃离与正物质湮灭的命运，在从对撞中心往外飞的过程中，被环绕对撞点的STAR实验探测器观测到。

图中上方的圆环即为相对论重离子对撞机的轮廓 （图片来源：美国布鲁克海文国家实验室）

STAR实验探测器 （图片来源：美国布鲁克海文国家实验室）

正是在高速重离子对撞的产物中，科学家发现了反超氢-4，它由一个反质子、两个反中子和一个反Λ超子组成，是目前观测到的最重的反物质超核。

反超氢-4的符号表示

部分反物质的发现年份（横轴）和质量（纵轴） （图片来源：参考资料[1]）

反超氢-4寿命很短，在飞行仅仅几个厘米后就会发生衰变。研究团队分析了多达66亿个重离子碰撞事件的实验数据，通过衰变产物反推出了反超氢-4的存在，最终获得了约16个反超氢-4的信号。这大致相当于从全世界的人类当中找出十多个满足特定条件的人，难度可想而知。

反氦-4与π+介子不变质量谱中的反超氢-4信号 （图片来源：近代物理研究所）

根据粒子物理标准模型，宇宙的正物质和反物质完全对称，在宇宙大爆炸过程中产生的正物质和反物质应该是一样多的，可我们却生活在一个正物质占绝对主导的世界中，正反物质在可见宇宙范围内的明显不对称是当今物理学最大的难题之一。本次实验测量了反超氢-4的寿命，并将结果与其正粒子超氢-4进行对比，发现在测量精度范围内两者寿命没有明显差异，再次验证了正反物质性质的对称性。

可能反超氢-4还无法告诉我们宇宙被正物质主宰这一谜题的答案，也离科幻电影中的反物质武器和燃料相差甚远，但它的发现和性质研究使我们在反物质及正反物质对称性的探索方面又迈出了重要一步，相信人类终会在未来揭开反物质的更多奥秘。

参考资料：

[1] Observation of the antimatter hypernucleus H¯ Λ¯ 4[J]. Nature, 2024: 1-6.

[2] https://www.cas.cn/cm/202408/t20240823_5029591.shtml

[3] Observation of the antimatter helium-4 nucleus[J]. Nature, 2011, 473(7347): 353-356.

[4] 马余刚,and 陈金辉."奇异反超核和反物质."物理 44.05(2015):304-310.

[5]https://pnp.ustc.edu.cn/html/display.php?id=116

作者：覃拈，武汉大学物理学博士。

审核：仇浩，中国科学院近代物理研究所研究员。