反物质研究再创新记录——中美联合研制的飞行时间探测器在发现反氦-4中起了关键作用 [2016-07-09]

　　中国科学家参加的RHIC-STAR国际合作组，探测到氦核的反物质粒子——反氦4核。这种新型粒子又名反阿尔法粒子，是迄今为止所能探测到的最重的反物质原子核。STAR国际合作组的该研究成果4月24日在线发表在《自然》（Nature）杂志。反氦-4很可能是未来很长一段时间内所能探测到的最重反物质原子核，因为下一个更重的稳定反物质原子核产生的可能性是反氦-4的百万分之一，而以现在的加速器技术几乎不可能实现。
　　位于美国纽约长岛上的布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)，利用两束接近于光速的金核对撞来模拟宇宙大爆炸，产生类似于早期宇宙的物质形态。这种剧烈的碰撞产生大约等量的夸克和反夸克物质。在RHIC对撞中产生的大部分稳定反物质在与实验设备中的物质湮灭之前会在STAR的探测器里留下清晰的信号。STAR合作组的科学家在接近十亿金核-金核对撞产生的约五千亿个带电粒子里找到了18个反氦核（ ），如图所示。该反原子核是由两个反质子和两个反中子组成的稳定束缚态，带有两个单位的负电荷，质量约为质子质量的4倍。科学家同时测量了反氦4在原子核对撞中的产生率，发现和夸克统计组合模型所预测的非常接近。在上万亿度的高温快速扩散且存活不足万亿分之一秒的物质中，能实验捕获到由12个反物质夸克组成一个复杂的反物质原子核是一件非常了不起的事情。
　　研究反物质原子核的产生率对很多学科包括寻找宇宙中的新的物理现象，都有着重要的意义。例如，2011年四月份即将发射升空的阿尔法磁谱仪(AMS)，将安装在国际空间站上去寻找宇宙中的反物质。STAR的测量结果将提供一个定量的背景估计值。
　　在谈到该发现的意义时，美国能源部科学办公室主任William F. Brinkman说“这一发现充分显示了相对论重离子对撞机（RHIC）在研究物质、反物质和早期宇宙特性的基础研究上的非凡能力”。根据宇宙的大爆炸学说，在大爆炸时产生的正反物质数目应该是相等的，但我们现在的宇宙基本是由普通物质构成，这依然是物理学上的一个重大谜团，能在实验室中模拟在宇宙早期的环境中产生和研究反物质的工作对解释这具有重大意义。
　　

　　STAR合作组由来自12个国家的54科研单位组成。其中STAR中国合作组成员包括中国科学院上海应用物理研究所、中国科学技术大学、中国科学院近代物理研究所、清华大学、华中师范大学、山东大学等。RHIC的研究基金主要来自美国能源部和多个美国以及国际研究机构。由中国国家自然科学基金委、中国科技部、中国科学院和美国能源部共同出资研制并于2009年安装在STAR探测器上的“大型飞行时间探测装置”（TOF），在反物质4的鉴别过程中发挥了关键的作用。
　　中国科学院上海应用物理研究所研究员、STAR中国合作组召集人马余刚说，中国科学家队伍在这个重要的科学发现中作出了杰出的贡献。一方面，该发现依赖于中国合作组研制的性能优异的大型飞行时间探测器；另一方面，该发现得益于布鲁克海文国家实验室的物理学家唐爱洪带领的团队利用“高阶触发”（High Level Trigger）技术，使得能在海量的数据中实时挑选出含有反物质氦4的碰撞事例。而在这个技术的实现中，中国科学院近代物理研究所的博士生仇浩和中国科学院上海应用物理研究所的博士生薛亮作出了突出的贡献。
　　中美TOF合作项目的联系人美国加州理工洛杉矶分校黄焕中教授说：“寻找反物质氦4和其他奇异物质是TOF项目的立项物理目标之一。我们不仅出色完成硬件装置，而且此发现为实现TOF的物理目标开启了一个很好的开端。”
STAR合作组发言人许怒说“在反氦4核的发现中，STAR的TOF起了不可替代的作用。在TOF的研发、建造过程和数据分析中，中国科技大学的研究生和老师都起了关键性的作用”。
　　反氦4核的事例选择中，上图中最上面两个子图显示了STAR时间投影室TPC测量的电离能损（纵轴）和TOF测量的粒子质量（横轴）的关系。由于反氦4比反氦3的数量小很多，而电离能损在中高横动量区又类似，只用TPC测量的电离能损（将该分布投影到纵轴）只能在低横动量区分这两种反原子核，无法在产额较高的中高横动量区区分这两种反原子核。而由TOF提供的质量测量能在很大动量范围内将他们清晰的分开，如图中最下面的子图所示。另外TOF还提供了一个独立的验证。其实STAR早在2007年的数据中就利用电离能损发现了低横动量区的两个候选事例，但由于没有大面积的TOF，缺少独立的验证，为了保证这一发现绝对可信，并增加统计量，所以直到大面积TOF完全安装运行之后才公布现在的结果。
　　中国科学技术大学粒子科学与技术中心师生从2000年就开始了STAR-TOF探测器的预研，研发了STAR-TOF的第一个MRPC模块和样机，确定了STAR-TOF探测器的最终设计，完成了探测器的批量制作。并在探测器运行的在线监测、离线刻度、粒子识别方法和相关物理的研究，发挥了重要的作用。特别需要指出的是，我校894校友、美国布鲁克海文国家实验室许长补研究员一直在指导和进行反原子核的寻找和研究。其中我校02级研究生生刘海东对反氦4进行了最初的寻找并进行了反氘核和反氦3产额和椭圆流的研究。04级研究生唐泽波是第一个反超氚核发现（Science 328 (2010) 58）的主要贡献者之一。06级研究生黄柄矗是这次反氦4核发现的主要贡献者之一。
　　尽管下一个更重的稳定反原子核反锂6或反氦6的产生几率已经超越了现在技术能寻找的极限，其他形式的反物质寻找显得特别有意义，且是可能实现的。许长补研究员和唐泽波合作根据以前的理论计算研究了在相对论重离子对撞机RHIC上产生反缪子氢原子（由muon和反质子构成的原子）和共振态反原子核反锂5及反氦5的可行性。这些研究已经写入了STAR的十年规划白皮书里，是制造和探测反物质的一个研究方向。
　　中国科学技术大学粒子科学与技术中心TOF研究组先后获得了中国国家自然科学基金委、中国科学院、中国科技部和学校的关心和经费支持。中美双方共同出资合作研制的STAR大型飞行时间探测器，在反物质氦4的鉴别过程中发挥了关键的作用。这是大科学基础研究国际合作的伟大胜利。
　　国家自然科学基金委副主任沈文庆院士评价说，在人类寻找反物质的艰辛历程中，老一辈的中国科学家在这个领域作出了许多杰出的工作，包括已故科学家赵忠尧院士在1930年观测到的狄拉克预言的反电子迹象和王淦昌院士领导的研究小组在1960年发现了反西格马负超子等。这次STAR合作组的反氦4重要发现是STAR合作组是继去年发现反物质超氚核后的又一重要里程碑的突破性进展，而在这两个重要的科学发现中中国的核物理学家队伍都起到了极为关键的作用，突显了大科学基础研究的国际合作的重要性。

STAR合作组的部分人员在中国科大赵忠尧先生铜像前合影。

　　左起：李澄（USTC），邵明（USTC），王义（清华大学），刘峰（华中师范大学），许怒（LBNL/CCNU，STAR发言人），陈宏芳（USTC），马余刚（上海应用物理研究所，STAR-中国组召集人），阮丽娟（BNL，TOF运行负责人），汪晓莲（USTC），孙勇杰（USTC )，唐泽波（USTC），许长补（BNL），黄焕中（UCLA，STAR-TOF 美方联络人）