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大型强子对撞机发现迄今为止最重反物质粒子的第一个证据

  • 2024-12-19
  • Armanda

世界上最大规模的科学实验再次完成了这一任务,检测到了迄今为​​止发现的最重反物质粒子的迹象。

这意味着大型强子对撞机 (LHC)建成后,科学家们得以一睹宇宙诞生不到一秒时存在的条件。反物质粒子是一种名为“超氦-4”的巨大物质粒子的伴侣,它的发现可以帮助科学家解开为什么常规物质主宰宇宙的谜团,尽管物质和反物质在创世之初是等量产生的。

大型强子对撞机对于早期宇宙的范式转变发现并不陌生。大型强子对撞机 (LHC) 在瑞士日内瓦附近的阿尔卑斯山下运行 17 英里(27 公里)长的环路,最著名的是它发现了,希格斯场的“信使”,负责在时间之初赋予其他粒子质量。

大型强子对撞机发生的碰撞产生了一种称为“夸克-胶子等离子体”的物质状态。这片浓密的等离子体海洋与百万分之一秒后充满宇宙的物质“原始汤”相同。

奇异的“超核”及其反物质对应物从夸克-胶子等离子体中出现,使科学家能够一睹早期宇宙的状况。

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超核像普通原子核一样包含质子和中子,也包含称为“超子”的不稳定粒子。与质子和中子一样,超子由称为“夸克”的基本粒子组成。质子和中子包含两种类型的夸克,称为上夸克和下夸克,而超子则包含一个或多个所谓的“奇异夸克”。

超核最初是在宇宙射线中发现的,宇宙射线是大约七十年前从深空降落在地球上的带电粒子簇。然而,它们在自然界中很少见,并且很难在实验室中创建和研究。这让他们有些神秘。

2019 年 LHC 升级期间拍摄的 ALICE 探测器图像(图片来源:罗伯特·李)

超核的第一个证据是在大型强子对撞机探测器 ALICE 上发现的,超核是超氦 4 的反物质对应物。

虽然大型强子对撞机的九个实验中的大多数(每个实验都有自己的探测器)通过以接近光速的速度将质子撞击在一起来产生结果,但 ALICE 合作通过将更重的粒子(通常是铅原子核或“离子”)撞击在一起来产生夸克-胶子等离子体。

铁离子的碰撞(尝试说快十倍)是产生大量超核的理想选择。然而直到最近,进行重离子碰撞的科学家才成功观察到最轻的超核超氚核及其反物质伙伴反超氚核。

直到 2024 年初,科学家们使用纽约的相对论重离子对撞机 (RHIC) 探测到了反超氢 4,它由一个反质子、两个反中子和一个称为“反 lambda”的含夸克粒子组成。

现在,ALICE 又检测到了一种较重的反超核粒子 antihyperhelium-4,它由两个反质子、一个反中子和一个反 lambda 组成。

反物质粒子进入大型强子对撞机 ALICE 探测器的图示。(图片来源:ORIGINS Cluster/S. Kwauka)

铅对铅碰撞和 ALICE 数据在大型强子对撞机上检测到了迄今为​​止最重的反物质超核,实际上可以追溯到 2018 年。

antihyperhelium-4 的特征是通过其衰变成其他粒子以及对这些粒子的检测而揭示的。

ALICE 科学家使用机器学习技术从数据中提取了 antihyperhelium-4 的特征,该技术的性能优于该合作组织常用的搜索技术。

除了发现 antihyperhelium-4 和 antihyperHydrogen-4 的证据外,ALICE 团队还能够确定它们的质量,这与当前的质量非常吻合。

科学家们还能够确定铅与铅碰撞中产生的这些颗粒的数量。

他们发现这些数字与 ALICE 数据一致,这表明反物质和物质是从大型强子对撞机能够达到的能量水平产生的夸克-胶子等离子体中产生的,数量相等。

宇宙物质/反物质不平衡的原因仍然未知,但反超氦-4和反超氢-4可以为这个谜团提供重要线索。

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