當奇異反物質撞上質子：BESIII觀測到微觀世界的“終極煙花秀”

你有沒有思考過，為什么組成所有物質的原子核總是帶正電，核外的電子總是帶負電？在宇宙中，有沒有和這些原子電荷相反的微觀粒子？

事實上，在自然界中，還真的有這一類和我們身邊的原子電荷全相反的粒子。根據狄拉克在近一百年前提出的理論，每一種基本粒子都有一個電荷相反、自旋相同的反物質粒子。比如帶負電的電子，其反物質粒子就是帶正電的正電子。這些反物質粒子的設想在上個世紀三十年代初就在實驗中得到了證實。

而當物質和反物質相遇時，卻不會上演什么溫情故事，而是會“砰”的一聲發生湮滅。這不僅是自然界最徹底的能量釋放方式，更是微觀世界里最絢爛的“煙花”——質量瞬間轉化為能量，并產生出一系列全新的粒子。

近日，利用北京正負電子對撞機上的北京譜儀III探測器，中國科學家首次清晰“拍下”了一種罕見過程——反物質粒子“反Λ重子”與普通質子碰撞湮滅的瞬間，并精確測量了其中產生的粒子種類和數量。相關成果已發表在國際頂級期刊《物理評論快報》上。

在粒子物理的世界里，像質子、中子這樣的粒子，都是由一些更小的“積木”組合而成的。這些更為基本的積木，包括了“上夸克”和“下夸克”這些組成了質子、中子的普通積木，還包括一些性格古怪的積木，比如“奇異夸克”。這種“奇異夸克”積木自帶一種叫“奇異數”的隱藏屬性。凡是沾了它的粒子（比如K介子、Λ超子），都變得神神秘秘。比如，這些帶有奇異數的粒子無法單獨產生，它們在強相互作用中必須成對或伴隨其他奇異粒子一同產生。并且，這些粒子一旦產生，壽命都異常長，大約在10-10秒量級，遠長于一般強相互作用粒子的壽命。因此，對它們的研究，是理解微觀世界的重要途徑。

而今天故事的主角——反Λ（Lambda）重子，就是一個由“反上夸克”、“反下夸克”和“反奇異夸克”拼成的小結構。平時它隱藏在高能對撞產生的粒子碎片中，一閃而過。而最近，在北京的正負電子對撞機（BEPCII）上，北京譜儀III（BESIII）探測器的科學家們完成了一次精妙的“伏擊”。他們巧妙地利用了探測器束流管內用來降溫的冷卻油作為反應靶，捕捉到了當反Λ重子向外飛出時，撞上冷卻油中靜止的質子（氫原子核）而產生的“新配方煙花”。

圖一 “微觀伏擊：反Λ粒子與質子碰撞并湮滅的過程示意圖”

在微觀世界里，這些粒子不是拖著尾巴飛行的流星，而是一閃而過的電信號。科學家要做的事情，有點像是在煙花表演結束后，僅憑空氣中殘留的一點余燼，反推出剛剛到底放了哪幾種煙花。

此前，在對撞機上的研究多集中在“常規物質版”煙花（如正反質子的湮滅）的性質。但反Λ重子因為攜帶“奇異夸克”，它的湮滅過程一直是個迷。通過對海量數據的篩選，BESIII實驗團隊首次觀測到了兩種復雜的“煙花配方”：

1. 反Λ + 質子 → ????K+π+π-π0

2. 反Λ + 質子 → ??????????????????????K+π+π-π0π0

這些名字聽起來像化學公式的粒子組合，代表的正是反物質湮滅后的“殘骸”。科學家不僅算出了它們出現的概率（截面），還發現這場煙花秀并不是雜亂無章的。

比如，在研究這場煙花爆炸的過程中，他們捕捉到了一個名為的“共振態”。它就像是煙花完全綻放前短暫形成的一個發光球體，存在時間極短，卻揭示了湮滅反應背后的內在邏輯。

圖二“湮滅產物的‘身份圖譜’：BESIII首次觀測到的反應信號全景”

對這類“微型煙花”的分析不僅是一場微觀世界的智力游戲，它更是連接著宇宙的過去與未來的線索。

首先，它關系到粒子物理里最基礎、也最難的一種作用力——強相互作用。你可以把它想象成一支看不見的“強力膠”，專門負責把夸克牢牢粘在一起，組成質子、中子，以及各種各樣的粒子。問題在于，這種“膠”在簡單體系里我們還算了解，但一旦摻入“奇異夸克”這種“古怪積木”，它的表現就開始變得難以預測。

反Λ正是這樣一個“帶奇異味”的復雜粒子。通過觀察它和質子湮滅時產生的那些粒子組合，科學家可以反過來檢驗現有的理論是否真的描述對了這種復雜情況下的相互作用。換句話說，這就像是在用一場精心設計的“煙花實驗”，來測試我們對微觀世界規則的理解到底準不準確。

更有意思的是，這件事還不只是實驗室里的“解謎游戲”。在宇宙中，存在一些我們難以想象的極端環境，比如中子星內部，在那里的物質會被壓縮到極為夸張的密度。在這樣的環境下，普通的質子和中子可能已經不再是唯一的“主角”，帶有奇異夸克的粒子也可能會參與其中，甚至會改變物質的整體性質。

正因如此，如果我們能理解粒子反Λ和質子在實驗室中是怎么相互作用的，那我們就有機會理解在那些遙遠天體內部到底在發生什么。所以，對這類看似“微不足道”的粒子反應的研究，是在為理解宇宙中最極端的狀態奠定基礎。

與此同時，在大型粒子對撞實驗中，反物質并不是稀客，而是成批產生的“副產品”。這些反物質粒子在穿過探測器材料時，會不斷與普通物質發生相互作用、甚至湮滅。理解這些過程，也在幫科學家們“校準儀器”，讓我們更好地理解微觀世界中發生的一切。

結語

回到最初的那場微觀世界的“煙花”。

這一次，BESIII不僅看到了它炸開的樣子，還開始讀懂它背后的規律。對于一個此前幾乎沒有實驗數據的體系來說，這相當于我們第一次拿到了奇異反物質湮滅的“高清底片”。

在粒子物理的世界里，這些煙花燃盡的余暉，往往才是點燃未來希望的星火。（實驗物理中心沈宏飛 陳繕真）

該研究得到國家重點研發、國家自然科學基金委重點項目和中科院支持，感謝北京正負電子對撞機運行團隊和高能物理研究所計算中心和國家高能物理科學數據中心為數據采集和分析做出了重要貢獻。成果文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/x17s-xsgn

來源：中國科學院高能物理研究所微信公眾號

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