鉛-鉛碰撞中反超氦-4(兩個反質子、一個反中子和一個反λ的結合態)的產生示意圖。(圖片：Janik Ditzel 為 ALICE 合作項目拍攝)

2024年12月9日，歐洲核子研究中心發布消息，ALICE 首次發現超氦-4 反物質伴星的證據，這一發現也首次證明 LHC 中存在最重反物質超核。ALICE實驗是大型強子對撞機(LHC)上的一個重要項目，專注于研究極端相對論下的原子核碰撞‌。該實驗旨在探索夸克-膠子等離子體(QGP)等物理現象，這種物質狀態被認為在宇宙大爆炸后約百萬分之一秒充滿了宇宙。

ALICE合作組首次發現了反超氦-4的證據，這是迄今為止LHC上發現的最重反物質超核的第一個證據‌。除了反超氦-4，ALICE還測量了反超氫-4等超核的生成產量和質量，并與統計強子化模型的預測結果進行了比較，發現模型預測與數據非常吻合‌。研究人員還確定了兩種超核的反粒子-粒子產率比，發現它們在實驗不確定度范圍內符合，這一結果增加了對宇宙中物質-反物質不平衡的持續研究‌。

大型強子對撞機 ( LHC ) 中重離子之間的碰撞產生了夸克膠子等離子體，這是一種熾熱而致密的物質狀態，據信在宇宙大爆炸后約百萬分之一秒充滿了宇宙。重離子碰撞還為原子核和奇異超核以及它們的反物質對應物反核和反超核的產生創造了適宜的條件。測量這些物質形式對于各種目的都很重要，包括幫助了解強子從等離子體的組成夸克和膠子的形成以及當今宇宙中看到的物質-反物質不對稱。

超核是由質子、中子和超子混合形成的奇異核，后者是包含一個或多個奇異夸克的不穩定粒子。超核自在宇宙射線中被發現以來已有 70 多年，它仍然是物理學家們著迷的源頭，因為它們在自然界中很少見，而且在實驗室中制造和研究它們具有挑戰性。

在重離子碰撞中，會產生大量超核，但直到最近，人們只觀察到最輕的超核超氚子及其反物質伙伴反超氚子。超氚子由一個質子、一個中子和一個λ(含有一個奇異夸克的超子)組成。反超氚子由一個反質子、一個反中子和一個反λ組成。

繼今年早些時候 STAR 合作組在相對論重離子對撞機 ( RHIC ) 上報告發現反超氫-4(一個反質子、兩個反中子和一個反λ 粒子的結合態)之后，LHC 上的 ALICE 合作組現在首次發現了反超氦-4 的證據，它由兩個反質子、一個反中子和一個反λ 粒子組成。這一結果的顯著性為 3.5 個標準差，也是迄今為止 LHC 上發現最重反物質超核的第一個證據。

ALICE 測量基于 2018 年獲得的鉛-鉛碰撞數據，每對碰撞核子(質子和中子)的能量為 5.02 太電子伏特 (TeV)。ALICE 研究人員使用一種優于傳統超核搜索技術的機器學習技術，查看了數據中超氫-4、超氦-4 及其反物質伙伴的信號。通過尋找 (反) 氦-4 原子核及其衰變成的帶電介子，可以確定 (反) 超氫-4 的候選者，而通過其衰變成 (反) 氦-3 原子核、(反) 質子和帶電介子，可以確定 (反) 超氦-4 的候選者。

除了發現顯著性為 3.5 個標準差的反超氦-4 證據，以及顯著性為 4.5 個標準差的反超氫-4 證據外，ALICE 團隊還測量了這兩種超核的生成產量和質量。

對于這兩種超核，測量到的質量與當前的世界平均值相符。測量到的產量與統計強子化模型的預測結果進行了比較，該模型很好地描述了重離子碰撞中強子和原子核的形成。這種比較表明，如果預測中既包括激發超核態也包括基態，則模型的預測與數據非常吻合。結果證實，統計強子化模型也能很好地描述超核的產生，超核是致密物體，尺寸約為 2 飛米(1 飛米為 10 -15米)。

研究人員還確定了兩種超核的反粒子-粒子產率比，發現它們在實驗不確定度范圍內符合 1。這一一致性與ALICE 觀察到的LHC 能量下物質和反物質的產量相等一致，并增加了對宇宙中物質-反物質不平衡的持續研究。