反氦-4

反氦-4又名反阿尔法粒子，是氦核的反物质粒子。它是科学家观察到的首个最重反物质。该粒子由位于布鲁克海文国家实验室的RHIC-STAR国际合作组探测到，并于2011年公布：科学家在金核相互对撞10亿次后形成的强子气体中共观察到了18个反氦-4，证明反氦-4确实存在，其包含4个反物质粒子，分别是2个反质子和2个反中子。反氦-4的发现，是寻找反物质路上的重要里程碑，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，现加速器技术几乎不可能实现。

粒子简介

英国《自然》（Nature）杂志2011年4月24日公布了由中美科学家合作研究的一项重要发现。位于布鲁克海文国家实验室的RHIC-STAR国际合作组探测到氦核的反物质粒子——反氦核。这种新型粒子又名反阿尔法粒子，是现今所能探测到的最重的反物质原子核。

科技日报原引美国物理学家组织网2011年3月23日（北京时间）报道，美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机国际合作组的科学家，首次观察到了新型反物质反氦-4，这是科学家观察到的首个最重反物质。

反氦-4又名反阿尔法粒子，是氦核的反物质粒子。反氦-4的现身进一步证实了负性物质的存在。

形成原理

高能对撞能形成夸克胶子等离子体，这种炽热、稠密的物质包含数量大致相当的夸克和反夸克粒子。夸克胶子等离子体逐渐冷却后会变成一种强子气体并产生质子、中子和它们的反粒子。科学家们在金核相互对撞10亿次后形成的强子气体中共观察到了18个反氦-4，证明反氦-4确实存在，其包含4个反物质粒子：2个反质子和2个反中子。科学家指出，较长一段时间内，反氦-4很可能是能观察到的最重的反物质，并预测下一个可能会“现身”的更重反物质将是反锂-6。

布鲁克海文国家实验室的这次RHIC-STAR国际合作组实验中，从观察到的反氦-4数量表明，宇宙中反氦-4并不多，要在宇宙中观察到反氦-4的可能性微乎其微。如果真的在宇宙中观察到了反氦-4，这些反氦-4一定是由另一种机制所产生所形成，这种机制很可能在宇宙中很多地方产生大量反物质。

实验发现

两个接近光速的金原子核对撞，会模拟出宇宙诞生时的那一声“啼哭”——产生大约等量的正物质和反物质。科学家就在这不足万亿分之一秒的瞬间，在上万亿度的高温中，捕捉着各种反物质的蛛丝马迹。

“RHIC上的一对金核碰撞大约会产生500个粒子，通过筛选10亿次碰撞所产生的5000亿个粒子，探测到了18个反物质氦-4原子核的信号。”RHIC-螺旋管径迹探测器（STAR）国际合作组中国组负责人、中科院上海应用物理研究所科学家介绍，反物质的原子核由反质子、反中子构成，但其性质和正物质原子核相似。由于反物质存在时间很短，因此这些反物质粒子聚成稳定的原子核的几率非常小。

在发现反氦-4之前，科学家一直持续于反物质的观察，1932年，科学家首次观察到反物质粒子-正电子。从此，越来越多更重的反物质逐渐映入科学家的眼帘。1955年观察到的是反质子和反中子，在接下来的20年里，科学家们依次观察到了反氘核、反氦核-3。加速器和探测器技术的不断改进让科学家在1995年首次观察到了反氢；2011年观察到了新型反物质“反超氚”，“反超氚”是反氦-4出现之前最重的反物质，也是首个含有反夸克的粒子。随后便幸运观察到反氦-4——它由两个反质子和两个反中子组成，质量是质子的4倍。

这次发现反氦-4，主要得益于中国科学家所研制的大型飞行时间探测器。它为STAR提供了更清晰的“视力”，能精确区分出带电粒子的踪迹。STAR国际合作组发言人许怒研究员说，STAR中国合作组为在海量事件中捕捉到反氦-4作出了重要的贡献。

意义影响

中外科学家宣告发现人类所知最重的反物质——“反氦4”原子核。这被认为是寻找反物质路上的重要里程碑：因为在未来很长一段时间内，几乎不可能发现更大质量的反物质原子核；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，现加速器技术几乎不可能实现。

在类似于早期宇宙的条件下，产生和研究反物质是一件非常有意义的事情：宇宙大爆炸之初产生了等量的物质和反物质，而现今所能观测到的宇宙几乎全部是由物质所构成的。什么原因造成了物质和反物质的不对称性，反物质在何处，这仍然是困扰物理学家的一个未解之谜。2011年4月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的反物质，而STAR的这次测量结果将提供一个定量的背景估计值。

科学家普遍认为，可能在未来很长一段时间内，反氦-4都会保持“最重反物质”的桂冠。因为反氦-4需要4个反核子聚在一起，而下一个更重的反物质应该是反锂6，这就需要6个反核子聚集成一个原子核——其产生的可能性是反氦-4的百万分之一。这需要将对撞机的能量大幅提高，或者把亮度增强上百万倍，而现有的加速器技术几乎不可能实现。

科学家之所以会对“最重反物质”如此着迷，其一是出于对宇宙婴儿期的好奇：成对产生的正反物质，最终总是正物质占了绝对优势，原因何在。为此，2011年美国将向太空发射探测器，希望在宇宙中发现反氦-4的踪迹。其二是受到巨大能量的诱惑，根据爱因斯坦的质能方程，当正反物质相遇湮灭时，所有质量都在一瞬间转变为巨大能量，远远超过了核裂变、核聚变，而且不会存在核污染。反氦-4十分稳定，若不湮灭，原则上不衰变。越重的原子湮灭时产生的能量越大，这种看似大海捞针的寻觅，或许会诞生人类未来的能源方案。

现行主流观点认为，宇宙诞生之初曾有等量的物质和反物质，两者一旦接触便相互湮灭抵消并释出巨大能量。然而不知为什么，人类所见万物皆由物质构成，自然界里似乎根本找不到反物质，这让反物质学说仍只能是建立在假设的基础上。或许，物质和反物质之间还有某些人类尚且不知的区别，正是这些区别才让后者始终无法进入人类的视野。反物质谜团破解之时很可能就是人类揭晓宇宙起源之日。

资料信息

美国布鲁克海文国家实验室RHIC-STAR国际合作组（“STAR”国际合作组）位于纽约长岛，研究团队由来自包括中国在内的12个国家的54个科研单位组成，其中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。各国科学家从整整10亿次碰撞事例中，筛选了由此产生的5000亿个带电粒子，并凭借中国科学家主持研制的“大型飞行时间探测装置（TOF）”，最终十分万幸地探测到了18个反物质氦4原子核的信号。

可以说，由中国科学家队伍研制的“大型飞行时间探测装置（TOF）”，在这次实验中起了关键的作用。而清华大学工程物理系的研究团队负责了探测器的研发和批量制作，实验运行刻度及实验数据分析，为实验做出了突出贡献。

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