破纪录的反物质发现可以帮助我们找到暗物质

在美国布鲁克海文国家实验室的实验中，一个国际物理学家团队检测到了有史以来最重的“反原子核”。这些微小、短暂的物体由异国情调组成反物质粒子。

对这些实体产生的频率及其性质的测量证实了我们目前对反物质本质的理解，并将有助于寻找另一种神秘的粒子——暗物质– 在深空。

结果是今天发表于自然界.

缺失的镜像世界

反物质的概念还有不到一个世纪的历史。1928年，英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）提出了一个非常准确的电子行为理论，该理论提出了一个令人不安的预测：具有负能量的电子的存在将使我们生活的稳定宇宙变得不可能。

幸运的是，科学家们为这些“负能量”状态找到了另一种解释：反电子，或具有相反电荷的电子双胞胎。反电子在1932年的实验中被正式发现，从那时起，科学家们发现所有基本粒子都有自己的反物质等价物。

然而，这引发了另一个问题。反电子、反质子和反中子应该能够结合在一起，形成整个反原子，甚至是反行星和反星系。更重要的是，我们的理论宇宙大爆炸暗示等量的物质和反物质一定是在宇宙开始时创造的。

但是，无论我们在哪里看，我们都能看到物质——而且只是微不足道的反物质。反物质去哪儿了？近一个世纪以来，这个问题一直困扰着科学家们。

被粉碎的原子碎片

今天的结果来自：STAR实验，位于相对论重离子对撞机在美国布鲁克海文国家实验室。

该实验的工作原理是以极高的速度将铀等重元素的核心相互撞击。这些碰撞产生了微小而强烈的火球，这些火球在大爆炸后的最初几毫秒内短暂地复制了宇宙的条件。

每次碰撞都会产生数百个新粒子，而STAR实验可以检测到它们的所有粒子。这些粒子中的大多数是短暂的、不稳定的实体，称为介子，但偶尔会出现更有趣的东西。

在STAR探测器中，粒子在磁场内一个装满气体的大容器中放大，并在其尾迹中留下可见的痕迹。通过测量轨迹的“厚度”以及它们在磁场中的弯曲程度，科学家们可以计算出产生它的粒子类型。

物质和反物质具有相反的电荷，因此它们的路径将在磁场中向相反的方向弯曲。

“抗氢超氢”

在自然界中，原子核由质子和中子组成。然而，我们也可以制造一种叫做“超核”的东西，其中其中一个中子被一个超子取代——一个稍重的中子版本。

他们在STAR实验中检测到的是由反物质组成的超核，或反超核。事实上，它是有史以来最重、最奇特的反物质核。

具体来说，它由一个反质子、两个反中子和一个反超子组成，名称为反超氢-4。在产生的数十亿个介子中，STAR研究人员只发现了16个抗超氢-4原子核。

结果证实了预测

这篇新论文将这些新的和最重的反核以及许多其他较轻的反核与正常物质中的对应物进行了比较。超核都是不稳定的，大约十分之一纳秒后就会衰变。

将超核与它们相应的反超核进行比较，我们发现它们具有相同的寿命和质量——这正是我们对狄拉克理论的期望。

现有的理论也很好地预测了较轻的抗超核是如何更频繁地产生，而较重的反超核是如何更罕见的产生。

还有影子世界吗？

反物质还与另一种奇特物质暗物质有着迷人的联系。通过观察，我们知道暗物质渗透到宇宙中，并且比正常物质普遍五倍 - 但我们从未能够直接检测到它。

一些暗物质理论预测，如果两个暗物质粒子发生碰撞，它们将相互湮灭并产生物质和反物质粒子的爆发。然后，这将产生反氢和反氦 - 以及一个名为Alpha 磁谱仪国际空间站上的人正在寻找它。

如果我们确实在太空中观察到反氦，我们怎么知道它是由暗物质还是正常物质产生的呢？好吧，像STAR的这个新测量结果让我们校准了我们的理论模型，以确定在正常物质的碰撞中产生了多少反物质。这篇最新论文为这种类型的校准提供了丰富的数据。

基本问题依然存在

在过去的一个世纪里，我们已经学到了很多关于反物质的知识。然而，我们仍然没有更接近回答为什么我们在宇宙中看到的如此之少的问题。

在寻求理解反物质的本质及其去向方面，STAR实验并不孤单。在实验中工作，例如大型强子对撞机b和爱丽丝在大型强子对撞机在瑞士，将通过寻找物质和反物质之间行为差异的迹象来增强我们的理解。

也许到2032年，当反物质首次发现一百周年时，我们将在理解这种奇怪的镜像物质在宇宙中的位置方面取得一些进展——甚至知道它是如何与暗物质的谜团联系起来的。

乌尔里克·埃格德，物理学教授，莫纳什大学

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