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　　由來(lái)自12個(gè)國(guó)家的52家科研單位組成的STAR合作組近日在美國(guó)布魯克海文國(guó)立實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)（RHIC）上，首次測(cè)量到反質(zhì)子－反質(zhì)子間的相互作用力，這對(duì)理解反物質(zhì)的構(gòu)成起到了至關(guān)重要的作用。論文于11月5日凌晨在線發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上。此次對(duì)反物質(zhì)間相互作用的首次定量測(cè)量，標(biāo)志著人們對(duì)反物質(zhì)的研究進(jìn)入了新的篇章，即從定性的觀測(cè)到定量相互作用研究的跨越，將對(duì)人們理解反物質(zhì)的形成機(jī)制起到關(guān)鍵作用。
　　在通常環(huán)境下，反物質(zhì)的產(chǎn)額極為稀少，在此之前一直未有實(shí)驗(yàn)涉及反物質(zhì)間相互作用力的定量測(cè)量。位于紐約長(zhǎng)島的RHIC利用兩束接近于光速的金核對(duì)撞來(lái)模擬宇宙大爆炸，產(chǎn)生類似于宇宙大爆炸之后幾個(gè)微秒時(shí)刻的物質(zhì)形態(tài)。這種物質(zhì)是由基本粒子，即夸克、膠子組成的等離子體新物質(zhì)形態(tài)，它具有大約是太陽(yáng)中心25萬(wàn)倍的極端高溫。然后，夸克-膠子等離子體迅速冷卻產(chǎn)生大約等量的質(zhì)子與反質(zhì)子，這為研究反質(zhì)子間的相互作用提供了極佳的機(jī)會(huì)。這種相互作用力使得核子或者反核子能夠相結(jié)合成原子核或者反物質(zhì)原子核。研究最簡(jiǎn)單的反質(zhì)子之間的相互作用力可為以后研究更為復(fù)雜的反物質(zhì)原子核間的相互作用提供決定性的基礎(chǔ)。
　　研究人員利用金核-金核碰撞中產(chǎn)生的豐富的反質(zhì)子，通過(guò)反質(zhì)子-反質(zhì)子動(dòng)量關(guān)聯(lián)函數(shù)測(cè)量，并扣除通過(guò)其他粒子衰變而來(lái)的次級(jí)反質(zhì)子與其他反粒子關(guān)聯(lián)的污染，精確地構(gòu)建了反質(zhì)子-反質(zhì)子關(guān)聯(lián)函數(shù)。然后，他們結(jié)合量子多粒子關(guān)聯(lián)理論，提取出反質(zhì)子-反質(zhì)子的有效力程和散射長(zhǎng)度這兩個(gè)基本作用參數(shù)。研究表明，在實(shí)驗(yàn)精度內(nèi)，反物質(zhì)間的相互作用與正物質(zhì)并沒(méi)有差別。也就是說(shuō)，反質(zhì)子-反質(zhì)子之間的強(qiáng)相互作用存在著吸引，它們可以克服由于同號(hào)（負(fù)電荷）的反質(zhì)子-反質(zhì)子之間的庫(kù)倫排斥而結(jié)合成反物質(zhì)原子核。這項(xiàng)研究成為檢測(cè)正反物質(zhì)對(duì)稱性的又一種新方式。
　　該研究對(duì)于理解自然界中物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱性提供了新的基礎(chǔ)。人類所認(rèn)識(shí)的自然界充滿了普通物質(zhì)，而反物質(zhì)卻非常稀少，這是一直以來(lái)困擾科學(xué)家的一個(gè)難題。在宇宙大爆炸初期，夸克、反夸克是成對(duì)產(chǎn)生的，然后演化到現(xiàn)在，在物質(zhì)空間缺失了數(shù)量上的對(duì)稱性。而這項(xiàng)研究指出，反物質(zhì)之間的作用與正物質(zhì)作用是對(duì)稱的。也就是說(shuō)，在相互作用的層次上，反物質(zhì)作用仍然滿足“電荷共軛-空間反射-時(shí)間反演(CPT)”對(duì)稱性。因此，要徹底解決正反物質(zhì)粒子產(chǎn)額不對(duì)稱這個(gè)難題，需要科學(xué)家全面地研究正反物質(zhì)的產(chǎn)生、相互作用及其演化機(jī)制。因此，反物質(zhì)研究有著廣闊的前景。
　　中國(guó)是STAR合作組的主要成員，中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所研究員馬余剛是中國(guó)合作組召集人，中方成員單位包括中科院上海應(yīng)用物理研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華中師范大學(xué)、清華大學(xué)、山東大學(xué)、中科院近代物理研究所等。在此次反物質(zhì)間作用力的首次測(cè)量過(guò)程中，馬余剛及其領(lǐng)導(dǎo)的課題組與美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員唐愛(ài)洪等合作，從2012年初提出研究思路到歷時(shí)3年多進(jìn)行艱難的數(shù)據(jù)分析，做出了關(guān)鍵性貢獻(xiàn)。其中，馬余剛的博士研究生張正橋完成了全程數(shù)據(jù)分析。
　　在反物質(zhì)課題的系統(tǒng)性研究上，馬余剛及其課題組成員分別對(duì)2010年和2011年先后發(fā)現(xiàn)的首個(gè)反物質(zhì)超核（反超氚）和迄今最重的反物質(zhì)原子核（反氦4）做出了關(guān)鍵性貢獻(xiàn)。相關(guān)論文分別發(fā)表在《科學(xué)》（Science)和《自然》（Nature)雜志上。前者入選2010年度“中國(guó)十大科學(xué)進(jìn)展”，后者以“2011年中國(guó)科學(xué)家具有影響力的部分工作”入選中科院出版的《科學(xué)發(fā)展報(bào)告》。
　　該研究得到了國(guó)家“973”項(xiàng)目“高溫高密核物質(zhì)形態(tài)研究”、國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體“重離子物理”和國(guó)際重大合作項(xiàng)目等的資助。
　　論文鏈接

圖1：STAR探測(cè)器內(nèi)探測(cè)到的兩個(gè)反質(zhì)子-反質(zhì)子關(guān)聯(lián)示意圖

圖2：反質(zhì)子間相互作用的示意圖