铅-铅碰撞中反超氦-4(两个反质子、一个反中子和一个反λ的结合态)的产生示意图。(图片：Janik Ditzel 为 ALICE 合作项目拍摄)

2024年12月9日，欧洲核子研究中心发布消息，ALICE 首次发现超氦-4 反物质伴星的证据，这一发现也首次证明 LHC 中存在最重反物质超核。ALICE实验是大型强子对撞机(LHC)上的一个重要项目，专注于研究极端相对论下的原子核碰撞‌。该实验旨在探索夸克-胶子等离子体(QGP)等物理现象，这种物质状态被认为在宇宙大爆炸后约百万分之一秒充满了宇宙。

ALICE合作组首次发现了反超氦-4的证据，这是迄今为止LHC上发现的最重反物质超核的第一个证据‌。除了反超氦-4，ALICE还测量了反超氢-4等超核的生成产量和质量，并与统计强子化模型的预测结果进行了比较，发现模型预测与数据非常吻合‌。研究人员还确定了两种超核的反粒子-粒子产率比，发现它们在实验不确定度范围内符合，这一结果增加了对宇宙中物质-反物质不平衡的持续研究‌。

大型强子对撞机 ( LHC ) 中重离子之间的碰撞产生了夸克胶子等离子体，这是一种炽热而致密的物质状态，据信在宇宙大爆炸后约百万分之一秒充满了宇宙。重离子碰撞还为原子核和奇异超核以及它们的反物质对应物反核和反超核的产生创造了适宜的条件。测量这些物质形式对于各种目的都很重要，包括帮助了解强子从等离子体的组成夸克和胶子的形成以及当今宇宙中看到的物质-反物质不对称。

超核是由质子、中子和超子混合形成的奇异核，后者是包含一个或多个奇异夸克的不稳定粒子。超核自在宇宙射线中被发现以来已有 70 多年，它仍然是物理学家们着迷的源头，因为它们在自然界中很少见，而且在实验室中制造和研究它们具有挑战性。

在重离子碰撞中，会产生大量超核，但直到最近，人们只观察到最轻的超核超氚子及其反物质伙伴反超氚子。超氚子由一个质子、一个中子和一个λ(含有一个奇异夸克的超子)组成。反超氚子由一个反质子、一个反中子和一个反λ组成。

继今年早些时候 STAR 合作组在相对论重离子对撞机 ( RHIC ) 上报告发现反超氢-4(一个反质子、两个反中子和一个反λ 粒子的结合态)之后，LHC 上的 ALICE 合作组现在首次发现了反超氦-4 的证据，它由两个反质子、一个反中子和一个反λ 粒子组成。这一结果的显著性为 3.5 个标准差，也是迄今为止 LHC 上发现最重反物质超核的第一个证据。

ALICE 测量基于 2018 年获得的铅-铅碰撞数据，每对碰撞核子(质子和中子)的能量为 5.02 太电子伏特 (TeV)。ALICE 研究人员使用一种优于传统超核搜索技术的机器学习技术，查看了数据中超氢-4、超氦-4 及其反物质伙伴的信号。通过寻找 (反) 氦-4 原子核及其衰变成的带电介子，可以确定 (反) 超氢-4 的候选者，而通过其衰变成 (反) 氦-3 原子核、(反) 质子和带电介子，可以确定 (反) 超氦-4 的候选者。

除了发现显著性为 3.5 个标准差的反超氦-4 证据，以及显著性为 4.5 个标准差的反超氢-4 证据外，ALICE 团队还测量了这两种超核的生成产量和质量。

对于这两种超核，测量到的质量与当前的世界平均值相符。测量到的产量与统计强子化模型的预测结果进行了比较，该模型很好地描述了重离子碰撞中强子和原子核的形成。这种比较表明，如果预测中既包括激发超核态也包括基态，则模型的预测与数据非常吻合。结果证实，统计强子化模型也能很好地描述超核的产生，超核是致密物体，尺寸约为 2 飞米(1 飞米为 10 -15米)。

研究人员还确定了两种超核的反粒子-粒子产率比，发现它们在实验不确定度范围内符合 1。这一一致性与ALICE 观察到的LHC 能量下物质和反物质的产量相等一致，并增加了对宇宙中物质-反物质不平衡的持续研究。