摘要：国际相对论性重离子对撞实验室，中国科学院近代物理研究所仇浩团队主导的RHIC-STAR国际合作组首次观测到反超氢-4超核，该成果已经于北京时间2024年8月21日发表于《自然》期刊（DOI:10.1038/s41586-023-06427-4）。该实验通过布鲁

国际相对论性重离子对撞实验室，中国科学院近代物理研究所仇浩团队主导的RHIC-STAR国际合作组首次观测到反超氢-4超核，该成果已经于北京时间2024年8月21日发表于《自然》期刊（DOI:10.1038/s41586-023-06427-4）。该实验通过布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC，√s_NN=200 GeV）实施金-金核碰撞，模拟了宇宙早期（τ~10^-6 s）的夸克-胶子等离子体（QGP）相变环境，在瞬时温度达T~4×10^12 K（量级在几万亿摄氏度的高温）的火球中实现了重子-反重子对的近平衡态生成。反超氢-4由反重子组合构成（‾p + 2‾n + ‾Λ，也即一个反质子、两个反中子和一个反Lambda超子），其量子数为B=-1，S=+1，质量数A=4。实验累计分析6.6×10^9（66亿）次中心碰撞事件（中心度0-10%），通过π+介子与反氦-4的关联衰变道进行重建，最终在4.9σ置信水平下确认了16±4个有效事例。寿命测量显示在误差范围内一致，验证了CPT定理在超核尺度下的有效性。

该发现对重子生成机制研究具有双重意义：实验层面首次证实了超核层次的反物质稳定态存在，为奇异物质（Strange matter）的强相互作用研究提供了新载体；理论层面通过超核衰变参数约束了CP破缺的相空间条件。根据标准宇宙学模型（ΛCDM），大爆炸核合成（BBN）时期的Sakharov条件要求满足重子数不守恒、C/CP对称性破缺及偏离热平衡态，反超核的生成截面测量与衰变分支比数据为计算重子不对称参数提供了新的实验输入。该技术实现依托STAR探测器的时间投影室（TPC）与飞行时间谱仪（TOF），空间分辨率达δr≈100 μm，动量分辨Δp/p。

该实验发现距离1928年Dirac方程预言反物质已跨越95年。保罗·狄拉克（Paul Dirac）于1928年通过构建相对论性量子力学方程（即狄拉克方程），首次从理论上预言了反物质的存在。这一发现源于对电子行为的相对论性描述需求，其历史脉络堪称精彩：在薛定谔方程仅满足非相对论性量子力学的背景下，狄拉克试图将狭义相对论与量子力学统一。他提出以下协变方程描述自旋1/2粒子：自然导出电子的自旋角动量（s=1/2s=1/2）及磁矩（g=2g=2，与实验吻合）；满足洛伦兹协变性，解决了克莱因-戈登方程的负概率问题。狄拉克方程的解包含正能态与负能态。根据经典诠释，负能态将导致电子无限坠入负能级（Klein佯谬），破坏量子系统的稳定性。为此，狄拉克于1930年提出狄拉克海假说：真空被定义为所有负能态被电子填满的“海”；负能态的电子被激发后，空穴表现为带正电的粒子，质量与电子相同但电荷相反。 1932年：卡尔·安德森（Carl Anderson）在宇宙射线云室实验中观测到正电子轨迹，证实狄拉克预言（获1936年诺贝尔物理学奖）；1955年：塞格雷（Segrè）和张伯伦（Chamberlain）在伯克利质子同步加速器中通过质子-铜核碰撞发现反质子（本次新的反物质发现基于近乎光速的金金对撞）；1995年：欧洲核子研究中心（CERN）合成首个反氢原子（HˉHˉ，由pˉpˉ与e+e+组成）。费曼将正电子诠释为电子在时间反演中的运动；CPT定理：量子场论严格证明，任何局域洛伦兹不变的理论中，粒子与其反粒子满足电荷（C）、宇称（P）、时间反演（T）的联合对称性；大爆炸理论预言早期宇宙应产生等量物质与反物质，但观测显示重子不对称性，暗示超出标准模型的CP破坏机制可能存在。后期又提出，所有费米子均存在反粒子（轻子、夸克），玻色子中光子、胶子等为自身反粒子。狄拉克方程不仅解决了相对论性量子力学的基础问题，更开辟了反物质研究领域，其预言直接推动了高能物理实验与宇宙学模型的革新。正反物质对称性破缺的机制，至今仍是粒子物理与宇宙学的核心问题之一。

科学史的每一次突破都凝聚着人类对宇宙本质的不懈追问，狄拉克的洞见至今仍在高能物理前沿激荡；我们凝视深渊，看到徐徐升起的灿烂星空！

编辑： “时序舞者-Two”

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