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大型強子對撞機發現迄今為止最重反物質粒子的第一個證據

  • 2024-12-19
  • Armanda

世界上最大規模的科學實驗再次完成了這一任務,檢測到了迄今為​​止發現的最重反物質粒子的跡象。

這意味著大型強子對撞機 (LHC)建成後,科學家們得以一睹宇宙誕生不到一秒時存在的條件。反物質粒子是一種名為“超氦-4”的巨大物質粒子的伴侶,它的發現可以幫助科學家解開為什麼常規物質主宰宇宙的謎團,儘管物質和反物質在創世之初是等量產生的。

大型強子對撞機對於早期宇宙的範式轉變發現並不陌生。大型強子對撞機 (LHC) 在瑞士日內瓦附近的阿爾卑斯山下運行 17 英里(27 公里)長的環路,最著名的是它發現了,希格斯場的“信使”,負責在時間之初賦予其他粒子質量。

大型強子對撞機發生的碰撞產生了一種稱為“夸克-膠子等離子體”的物質狀態。這片濃密的等離子體海洋與百萬分之一秒後充滿宇宙的物質“原始湯”相同。

奇異的“超核”及其反物質對應物從夸克-膠子等離子體中出現,使科學家能夠一睹早期宇宙的狀況。

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超核像普通原子核一樣包含質子和中子,也包含稱為“超子”的不穩定粒子。與質子和中子一樣,超子由稱為“夸克”的基本粒子組成。質子和中子包含兩種類型的夸克,稱為上夸克和下夸克,而超子則包含一個或多個所謂的“奇異夸克”。

超核最初是在宇宙射線中發現的,宇宙射線是大約七十年前從深空降落在地球上的帶電粒子簇。然而,它們在自然界中很少見,並且很難在實驗室中創建和研究。這讓他們有些神秘。

2019 年 LHC 升級期間拍攝的 ALICE 探測器圖像(圖片來源:羅伯特·李)

超核的第一個證據是在大型強子對撞機探測器 ALICE 上發現的,超核是超氦 4 的反物質對應物。

雖然大型強子對撞機的九個實驗中的大多數(每個實驗都有自己的探測器)通過以接近光速的速度將質子撞擊在一起來產生結果,但 ALICE 合作通過將更重的粒子(通常是鉛原子核或“離子”)撞擊在一起來產生夸克-膠子等離子體。

鐵離子的碰撞(嘗試說快十倍)是產生大量超核的理想選擇。然而直到最近,進行重離子碰撞的科學家才成功觀察到最輕的超核超氚核及其反物質夥伴反超氚核。

直到 2024 年初,科學家們使用紐約的相對論重離子對撞機 (RHIC) 探測到了反超氫 4,它由一個反質子、兩個反中子和一個稱為“反 lambda”的含夸克粒子組成。

現在,ALICE 又檢測到了一種較重的反超核粒子 antihyperhelium-4,它由兩個反質子、一個反中子和一個反 lambda 組成。

反物質粒子進入大型強子對撞機 ALICE 探測器的圖示。(圖片來源:ORIGINS Cluster/S. Kwauka)

鉛對鉛碰撞和 ALICE 數據在大型強子對撞機上檢測到了迄今為​​止最重的反物質超核,實際上可以追溯到 2018 年。

antihyperhelium-4 的特徵是通過其衰變成其他粒子以及對這些粒子的檢測而揭示的。

ALICE 科學家使用機器學習技術從數據中提取了 antihyperhelium-4 的特徵,該技術的性能優於該合作組織常用的搜索技術。

除了發現 antihyperhelium-4 和 antihyperHydrogen-4 的證據外,ALICE 團隊還能夠確定它們的質量,這與當前的質量非常吻合。

科學家們還能夠確定鉛與鉛碰撞中產生的這些顆粒的數量。

他們發現這些數字與 ALICE 數據一致,這表明反物質和物質是從大型強子對撞機能夠達到的能量水平產生的夸克-膠子等離子體中產生的,數量相等。

宇宙物質/反物質不平衡的原因仍然未知,但反超氦-4和反超氫-4可以為這個謎團提供重要線索。

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