迄今最重反物质观测，或改变暗物质搜索结果

在美国布鲁克海文国家实验室所进行的实验中，一个国际物理学家团队探测到了有史以来最重的“反核”。这些微小且存在时间短暂的物体由奇异的反物质粒子构成。

对这些实体的产生频率及其性质的测量证实了我们目前对反物质性质的理解，并将有助于在深空寻找另一种神秘的粒子——暗物质。

该结果于 8 月 21 日在《自然》杂志上发表。

反物质这一概念的出现还不到一个世纪。1928 年，英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）为电子的行为发展了一个非常精确的理论，做出了一个令人感到不安的预测：存在负能量的电子，这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，即电荷相反的电子双胞胎。反电子在 1932 年的实验中适时地被发现，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，这就引发了另一个问题。反电子、反质子和反中子应该能够结合形成整个反原子，甚至反行星和反星系。更重要的是，我们关于大爆炸的理论表明，在宇宙开始时，物质和反物质的数量一定是相等的。

但不管我们往哪儿看，看到的都是物质，而反物质却少得可怜。

如今的结果出自STAR 实验，这个实验位于美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机处。

该实验的工作原理是使诸如铀之类的重元素的核心以极高的速度相互碰撞。

这些碰撞会产生微小且强烈的火球，短暂重现了大爆炸后最初几毫秒内宇宙的情形。

每次碰撞都会产生好几百个新粒子，STAR 实验能把这些粒子全都探测到。

这些粒子里的大多数都是寿命短、不稳定的实体，叫π介子，不过偶尔也会有更有趣的东西出现。

在 STAR 探测器里，粒子在磁场中快速穿过一个装满气体的大容器，并且在身后留下了能看见的轨迹。

通过测量轨迹的‘厚度’以及它们在磁场中的弯曲程度，科学家们就能搞清楚是哪种粒子产生了它。

物质与反物质带有相反的电荷，所以它们在磁场中的行进路径会朝相反的方向弯曲。

在自然界里，原子的原子核是由质子和中子构成的。不过呢，我们还能制造出一种被称作‘超核’的东西，这里面有一个中子会被超子所替代——超子是比中子稍微重一点的一种粒子。

他们在 STAR 实验里检测到的是由反物质组成的超核，也就是反超核。实际上，这是有史以来所发现的最重、最奇特的反物质原子核。

具体来讲，它由一个反质子、两个反中子和一个反超子构成，并且被命名为反超氢 - 4 。在生成的数十亿个π介子当中，STAR 研究人员仅仅识别出了 16 个反超氢 - 4 原子核。

新的论文把这些最新且最重的反核以及许多其他比较轻的反核跟正常物质里的对应物做了比较。超核都是不稳定的，大概在十分之一纳秒之后就会衰变。

把超核和与其相对应的反超核作比较，我们发现它们具有相同的寿命和质量——这正是我们根据狄拉克理论所预期的。

现有的理论在预测较轻的反超核更常产生、较重的反超核更少见这一方面，表现也不错。

反物质和另一种奇特的物质——暗物质，也存在着令人着迷的关联。从观察中我们知道，暗物质弥漫在宇宙中，其普遍程度是正常物质的五倍——但我们从未能够直接探测到它。

一些暗物质理论预测，如果两个暗物质粒子碰撞，它们将相互湮灭，并产生一阵物质和反物质粒子。这会产生反氢和反氦——国际空间站上有一个名为阿尔法磁谱仪的实验正在对其进行探寻。

如果我们确实在太空中观察到反氦，我们如何知道它是由暗物质还是正常物质产生的？好吧，像 STAR 这次的新测量结果使我们能够校准我们有关正常物质碰撞会产生多少反物质的理论模型。这篇最新的论文为这种校准提供了丰富的数据。

在过去的一个世纪里，我们对反物质已经有了很多了解。然而，对于为何在宇宙中我们所见的反物质如此稀少这一问题，我们仍然没有更接近答案。

STAR 实验并非唯一一个致力于探究反物质的本质以及其去向的实验。在瑞士大型强子对撞机的诸如LHCb和Alice等实验中的工作，将通过寻找物质和反物质行为差异的迹象来增进我们的理解。

也许到 2032 年，当反物质最初发现的百年纪念日到来时，我们在理解这种奇特的镜像物质于宇宙中的地位方面将会取得一些进展——甚至知道它如何与暗物质之谜相关联。