8月21日，《自然》雜誌刊登了一個重要成果：在由中國科學院近代物理研究所研究員仇浩團隊主導完成的一項國際合作研究中，科學家首次觀測到迄今實驗上發現的最重的反物質超核——反超氫-4。

重離子碰撞產生反物質超核——反超氫-4示意圖 （圖片來源：近代物理研究所）

看到這項研究，你可能還在雲裏霧裏：“反物質超核”“反超氫-4”究竟是什麼？圖片中奇怪的字母又代表什麼意思？別擔心，讓我們先從神祕的反物質說起。

什麼是反物質？

很多人第一次聽說反物質可能是源於科幻作品。在劉慈欣的科幻小說《三體》中，維德手下的人類戰士擁有反物質武器，一顆小小的子彈就能摧毀一艘巨大的飛船。科幻電影《星際迷航》的宇宙飛船藉助曲速引擎實現超光速航行，使用的燃料也是反物質。其實，“反物質”並不是科幻小說的妄想，而是真實的存在。

《星際迷航》反物質驅動的飛船 （圖片來源：Paramount）

在自然界中，絕大多數物質都是由原子或分子組成的，這些物質被科學家稱爲普通物質或正物質。往更小的尺度細分，原子由原子核和電子組成，原子核由帶正電的質子和不帶電的中子組成，質子和中子又各由三個夸克組成。

與普通物質不同，反物質是由反粒子構成的。所謂反粒子是相對於質子、電子等正常粒子而言的，它們的質量、壽命、自旋都與正常粒子相同，但電荷、重子數、奇異數等與正常粒子大小相同、符號相反，就像是鏡面世界中的兩個鏡像。例如，我們熟知的電子是帶負電的，而電子的反物質粒子是一種質量與電子相同、但電荷帶正電的粒子，被科學家稱爲“正電子”。

正電子是人類發現的第一種反粒子。20世紀初，保羅·狄拉克爲了解釋狄拉克方程的負能解，預言了正電子的存在。1932年，卡爾·戴維·安德森利用威爾遜雲室研究宇宙射線時，在照片中發現了某種粒子留下的奇怪徑跡。通過徑跡判斷，這個粒子和電子的偏轉程度相同，偏轉方向卻相反，說明這個粒子雖然質量和電子相同，但帶的是正電。實驗證明了正電子的存在，安德森也因此獲得了1936年的諾貝爾物理學獎。

安德森在威爾遜雲室中首次發現正電子的實驗照片，弧線即正電子留下的軌跡。（圖片來源：wiki）

自然界中存在有少量的反粒子，例如在我們日常喫的香蕉裏，鉀的同位素鉀-40發生衰變時就能產生正電子。每一種粒子都有自身對應的反粒子，比如質子和反質子、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，它們的反粒子就是自身。反粒子一般用對應粒子的符號上方加一橫線來標記，如質子用符號p表示，反質子的符號就是p上加一橫。

反物質還有一個特點：互爲反物質的兩個粒子相遇會發生湮滅，同時釋放能量。粒子和反粒子就像是一對雙胞胎兄弟，兩人長得幾乎一模一樣，卻不知有什麼深仇大恨，一旦見面就要打成一團。

正反粒子湮滅過程中釋放的能量可以用愛因斯坦質量方程E=mc2計算。我們只需要一勺子質量爲0.5克的反物質，讓它與相應的正物質發生湮滅，產生的能量就大致能和投放到廣島的原子彈爆炸能量相當。正因如此，反物質備受科幻作品的青睞，在小說和電影中想象爲人類提供無盡能源或者製造致命武器。

正反物質湮滅示意圖 （圖片來源：中國科學院近代物理研究所）

什麼是反物質超核？

理解了物質結構和反物質，我們才能搞清楚什麼是反物質超核。

上文說到，質子和中子是由夸克組成的，而目前已知的夸克總共有6種：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)及頂夸克(t)。質子含有2個上夸克和1個下夸克，中子含有1個上夸克和2個下夸克，這種由3個夸克組成的複合粒子稱爲重子。

目前已知共有6種夸克（圖片來源：Wikidata）

夸克的種類這麼多，重子的組成也不必像質子和中子侷限於兩種夸克。有一類至少含有一個奇異夸克的重子叫做超子，根據組成夸克的不同，分爲Σ超子、Λ超子、Ω超子等。超子和原子核的質子或中子之間形成束縛態，就能構成特殊的結構——超核。

1個Λ超子、1個質子分別與1箇中子和2箇中子形成超氚核和超氫-4核（圖片來源：參考資料[5]）

和質子、中子和電子能形成原子相對應，反質子、反中子和正電子在理論上同樣能構成“反原子核”或“反原子”。把超核裏面的粒子全部替換爲相應的反物質粒子，即讓反質子、反中子和反重子束縛在一起，我們就得到了“反物質超核”。

（反）超核的藝術效果圖。中間是三個（反）質子/中子，外部是一個（反）超子（圖片來源：RIKEN）

然而，反物質超核難以在自然界中穩定存在。要像深入研究這一類結構更加複雜的反物質，人類必須藉助一種強大的工具——高能粒子加速器。

數十億次對撞中，尋找迄今最重的反物質超核

高能粒子加速器是一種通過加速粒子到極高能量、進而發生各類物理反應的裝置。反物質超核的質量是電子質量的上萬倍，一般的粒子加速器很難產生質量這麼大的反物質，科學家們需要使用一種特殊的粒子加速器——相對論性重離子對撞機。這種加速器裏面加速的不是電子或質子，而是質量很大的重原子核，例如金原子核。金原子核內部有197個核子，如果我們將兩束金原子核一起加速到極高的速度並讓它們相撞，金原子核內部的衆多核子在對撞瞬間將積累極高的能量，溫度急劇升高達到“熔融”狀態，產生大量的各種新粒子。

兩束重離子發生對撞，產生大量粒子 （圖片來源：歐洲核子中心）

此次由中國科學院近代物理研究所團隊主導發現的反超氫-4就是在相對論重離子碰撞實驗中產生的。實驗使用的粒子加速器是美國布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的相對論重離子對撞機（RHIC），金核－金覈對撞每核子對質心繫能量達200吉電子伏特(GeV)，能將重離子束加速至接近光速並使其對撞。這種對撞能產生幾萬億度的高溫火球（比太陽中心溫度要高十萬倍），幾乎達到宇宙大爆炸的早期狀態，對撞產生幾乎等量的正物質與反物質。在火球迅速膨脹、冷卻的過程中，一部分反物質有機會逃離與正物質湮滅的命運，在從對撞中心往外飛的過程中，被環繞對撞點的STAR實驗探測器觀測到。

圖中上方的圓環即爲相對論重離子對撞機的輪廓 （圖片來源：美國布魯克海文國家實驗室）

STAR實驗探測器 （圖片來源：美國布魯克海文國家實驗室）

正是在高速重離子對撞的產物中，科學家發現了反超氫-4，它由一個反質子、兩個反中子和一個反Λ超子組成，是目前觀測到的最重的反物質超核。

反超氫-4的符號表示

部分反物質的發現年份（橫軸）和質量（縱軸） （圖片來源：參考資料[1]）

反超氫-4壽命很短，在飛行僅僅幾個釐米後就會發生衰變。研究團隊分析了多達66億個重離子碰撞事件的實驗數據，通過衰變產物反推出了反超氫-4的存在，最終獲得了約16個反超氫-4的信號。這大致相當於從全世界的人類當中找出十多個滿足特定條件的人，難度可想而知。

反氦-4與π+介子不變質量譜中的反超氫-4信號 （圖片來源：近代物理研究所）

根據粒子物理標準模型，宇宙的正物質和反物質完全對稱，在宇宙大爆炸過程中產生的正物質和反物質應該是一樣多的，可我們卻生活在一個正物質佔絕對主導的世界中，正反物質在可見宇宙範圍內的明顯不對稱是當今物理學最大的難題之一。本次實驗測量了反超氫-4的壽命，並將結果與其正粒子超氫-4進行對比，發現在測量精度範圍內兩者壽命沒有明顯差異，再次驗證了正反物質性質的對稱性。

可能反超氫-4還無法告訴我們宇宙被正物質主宰這一謎題的答案，也離科幻電影中的反物質武器和燃料相差甚遠，但它的發現和性質研究使我們在反物質及正反物質對稱性的探索方面又邁出了重要一步，相信人類終會在未來揭開反物質的更多奧祕。

參考資料：

[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] 馬餘剛,and 陳金輝."奇異反超核和反物質."物理 44.05(2015):304-310.

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

作者：覃拈，武漢大學物理學博士。

審覈：仇浩，中國科學院近代物理研究所研究員。