迄今最重反物質觀測，或改變暗物質搜索結果

在美國布魯克海文國家實驗室所進行的實驗中，一個國際物理學家團隊探測到了有史以來最重的“反核”。這些微小且存在時間短暫的物體由奇異的反物質粒子構成。

對這些實體的產生頻率及其性質的測量證實了我們目前對反物質性質的理解，並將有助於在深空尋找另一種神秘的粒子——暗物質。

該結果於 8 月 21 日在《自然》雜誌上發表。

反物質這一概念的出現還不到一個世紀。1928 年，英國物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）爲電子的行爲發展了一個非常精確的理論，做出了一個令人感到不安的預測：存在負能量的電子，這將使我們生活的穩定宇宙變得不可能。

幸運的是，科學家們爲這些“負能量”狀態找到了另一種解釋：反電子，即電荷相反的電子雙胞胎。反電子在 1932 年的實驗中適時地被發現，從那時起，科學家們發現所有基本粒子都有自己的反物質等價物。

然而，這就引發了另一個問題。反電子、反質子和反中子應該能夠結合形成整個反原子，甚至反行星和反星系。更重要的是，我們關於大爆炸的理論表明，在宇宙開始時，物質和反物質的數量一定是相等的。

但不管我們往哪兒看，看到的都是物質，而反物質卻少得可憐。

如今的結果出自STAR 實驗，這個實驗位於美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機處。

該實驗的工作原理是使諸如鈾之類的重元素的核心以極高的速度相互碰撞。

這些碰撞會產生微小且強烈的火球，短暫重現了大爆炸後最初幾毫秒內宇宙的情形。

每次碰撞都會產生好幾百個新粒子，STAR 實驗能把這些粒子全都探測到。

這些粒子裡的大多數都是壽命短、不穩定的實體，叫π介子，不過偶爾也會有更有趣的東西出現。

在 STAR 探測器裡，粒子在磁場中快速穿過一個裝滿氣體的大容器，並且在身後留下了能看見的軌跡。

通過測量軌跡的‘厚度’以及它們在磁場中的彎曲程度，科學家們就能搞清楚是哪種粒子產生了它。

物質與反物質帶有相反的電荷，所以它們在磁場中的行進路徑會朝相反的方向彎曲。

在自然界裡，原子的原子核是由質子和中子構成的。不過呢，我們還能製造出一種被稱作‘超核’的東西，這裡面有一箇中子會被超子所替代——超子是比中子稍微重一點的一種粒子。

他們在 STAR 實驗裡檢測到的是由反物質組成的超核，也就是反超核。實際上，這是有史以來所發現的最重、最奇特的反物質原子核。

具體來講，它由一個反質子、兩個反中子和一個反超子構成，並且被命名爲反超氫 - 4 。在生成的數十億個π介子當中，STAR 研究人員僅僅識別出了 16 個反超氫 - 4 原子核。

新的論文把這些最新且最重的反核以及許多其他比較輕的反核跟正常物質裡的對應物做了比較。超核都是不穩定的，大概在十分之一納秒之後就會衰變。

把超核和與其相對應的反超核作比較，我們發現它們具有相同的壽命和質量——這正是我們根據狄拉克理論所預期的。

現有的理論在預測較輕的反超核更常產生、較重的反超核更少見這一方面，表現也不錯。

反物質和另一種奇特的物質——暗物質，也存在着令人着迷的關聯。從觀察中我們知道，暗物質瀰漫在宇宙中，其普遍程度是正常物質的五倍——但我們從未能夠直接探測到它。

一些暗物質理論預測，如果兩個暗物質粒子碰撞，它們將相互湮滅，併產生一陣物質和反物質粒子。這會產生反氫和反氦——國際空間站上有一個名爲阿爾法磁譜儀的實驗正在對其進行探尋。

如果我們確實在太空中觀察到反氦，我們如何知道它是由暗物質還是正常物質產生的？好吧，像 STAR 這次的新測量結果使我們能夠校準我們有關正常物質碰撞會產生多少反物質的理論模型。這篇最新的論文爲這種校準提供了豐富的數據。

在過去的一個世紀裡，我們對反物質已經有了很多瞭解。然而，對於爲何在宇宙中我們所見的反物質如此稀少這一問題，我們仍然沒有更接近答案。

STAR 實驗並非唯一一個致力於探究反物質的本質以及其去向的實驗。在瑞士大型強子對撞機的諸如LHCb和Alice等實驗中的工作，將通過尋找物質和反物質行爲差異的跡象來增進我們的理解。

也許到 2032 年，當反物質最初發現的百年紀念日到來時，我們在理解這種奇特的鏡像物質於宇宙中的地位方面將會取得一些進展——甚至知道它如何與暗物質之謎相關聯。