科研选题是科技工作首先需要解决的问题。国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）高度重视科学问题凝练工作，先后实施了明确资助导向、完善面向科学前沿和国家重大需求的科学问题凝练机制等一系列改革举措。为了通过总结和宣传我国科学家凝练科学问题的成功经验，从理念和方法上给科研人员以启迪和信心，引导科技界更加自觉地探索和运用科学方法不断提升凝练科学问题的能力和水平，自然科学基金委组织开展凝练科学问题案例编写工作。

案例以科研人员发现问题、凝练方向、奋勇攀登的心路历程为主线，由自然科学基金委各科学部工作人员依据科研人员工作实践调研总结形成，并通过小同行审读、大同行评阅的方式，进一步提升科学性和可读性，形成了凝练科学问题典型案例共81个。以下是案例之一，供参考。

正反原子核物质的不对称性

凝练科学问题的过程及意义

1. 科学问题的探索过程

越来越多的科学实验结果支持宇宙起源于一次大爆炸。在大爆炸中，夸克-反夸克成对产生，那么，当宇宙冷却下来，是不是物质、反物质应该体量相当？然而，迄今的观测告诉我们答案是否定的。其中经历了什么，使得自然界中几乎仅存在正物质，是一个复杂而深刻的科学问题，是当前物质世界的重大之谜。

研究人员经过深入探索和讨论，包括多次组织专题学术研讨会，并在2006年邀请著名华人科学家李政道先生访问上海，向其当面请教物质-反物质对称性缺失的科学现象，坚信了在高能重离子碰撞中探测反物质原子核作为研究正反物质不对称性的一个突破口。

反物质原子核的直接寻找具有久远历史，包括丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer，AMS）国际实验组经过多年的测量，尚未观测到质量数超过1的反物质原子核。这是不是和反氘以上系统在核物质中反应截面数据缺失存在间接关系？如果我们能够在实验室中制造出反物质原子核，并测量其在核反应中的产生截面等参数，这些珍贵的数据将可以为AMS升级等科学探索提供重要的参考和评估。

幸运的是，随着科技的发展，尤其是加速器和探测技术的发展，物理学家在重离子对撞机实验室制造的核物质温度和密度越来越高，逐渐接近宇宙大爆炸早期的极端情况。在重原子核对头碰撞事例中寻找反物质原子核信号，并测量其截面、质量、寿命、作用力等关键物理量；测量反物质原子核相对反应中产生的普通物质原子核产额比、方位角关联等表征其演化动力学信息的物理量；将测量结果作为研究宇宙演化，尤其是早期情形的输入参数，有望进一步理解正反物质不对称性之谜的起源。

2. 解决本科学问题面临的困难

理解正反物质的不对称性是否需要超出标准模型的新物理？标准模型中已经包含Sakharov提出的实现正物质净生成的三大必要条件，但是这些已知的对称性破缺尺度太小，还无法解释当下宇宙正物质超过反物质当量。那么新物理是什么？能不能在实验上直接测量主导亚核自由度的“强作用”信号对称破缺？宇宙早期是极端高温的夸克汤，而目前的宇宙已经处于冷暗状态，因此，需要我们创造新的实验条件来追寻宇宙早期，特别是大爆炸后百万分之几秒的极端高温高密的新物质形态。在这样的状态中，是否产生了反物质原子核？如果产生了，这些奇特原子核是否能够存活下来？存活下来的反物质原子核怎么被精准捕捉？需要什么样的先进探测器，才能在重核对撞产生的巨大物理噪声中找到这些独特信号？这些都是面临的困难。

3. 研究本科学问题过程中的创新点

宇宙空间中氢、氦等轻元素具有相对高的丰度，那么能不能在实验室制造出这类轻元素的反物质？能不能在原子核层面上研究正反物质不对称性？由于反物质原子核产生阈值高、截面低，需要超高能的加速器来加速重离子到接近光速对撞，使其在单位体积内沉积巨大能量，并且需要足够的实验机时来累积海量实验数据。一方面，我们升级了数据获取电子学系统，使得单位时间读出提高近1个数量级；另一方面，我们完善了实验中闲置的高阶触发算法，在海量碰撞事例中快速找出可能含有反物质原子核信号的事例。在有限的实验时间和有限的存储空间下，获得宝贵的物理信号。我们也提出了反质子对动量关联研究反物质相互作用和产生机制的新思路，将传统核物理研究方法应用到反物质研究上。

4. 研究本科学问题的意义

研究人员发现了首例反物质超核（反超氚核）并进一步完成了对正反超氚核质量和结合能的精确测量，探测到迄今为止最重的反物质原子核（反氦4），通过反质子对动量关联分析实现了反物质间相互作用力的首次测量。这一系列实验结果刻画了人类探索大自然的征程，同时在学科上也丰富了研究内容，包括在反物质空间上拓展了三维核素图，填补了奇异原子核层面正反物质不对称性测量的空白，从核力相互作用上进一步检验了电荷-宇称-时间基本对称性，知识体系增量集中体现在强相互作用中基本对称性的研究上。

同时，本系列研究还有助于人们评估利用正反原子核湮灭产生巨大能量的潜在应用的经济性。以前这样的讨论多出现于科幻小说的宇宙航行中。现在，欧洲核子研究中心的科学家已经可以在实验室制造出长寿命的反氢原子，他们正在尝试安全的存储和运输等反物质应用的重要步骤。未来，随着实验室制造反物质原子核技术的发展，包括稳定的反核子束流和可控的强磁场约束技术等，在实验室制造出可观的反物质原子核是值得期待的。到那时，反物质将更深刻地影响人类日常生活。

案例点评

1928年狄拉克提出了正电子的概念，从而开启了反物质研究的辉煌历史。1930年，赵忠尧先生在硬伽马射线与重核相互作用实验中观测到了一种特殊的辐射，这实际上是正负电子对湮灭过程中产生的；1932年，安德森在宇宙射线实验中发现了正电子；1959年，塞格雷和张伯伦在美国劳伦斯伯克利国家实验室的回旋加速器上探测得到了反核子；1965年，丁肇中实验团队在美国布鲁克海文国家实验室的质子同步加速器上成功观测到反氘核；1971年，苏联科学家团队在其国家的70 GeV质子加速器上探测到反氦3。那么人类对反物质探测的极限在哪里呢？2010年，马余刚带领的中国合作组与美国合作者在布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机上的实验中，观测到第一个反物质超核；2011年又观测到反氦4，这是迄今为止发现的最重的反物质原子核。反氦4的发现利用了中国合作组研制的基于多气隙电阻板室（Multi-gap Resistive Plate Chamber，MRPC）技术的新型飞行时间（Time of Flight，TOF）探测器，该TOF探测器创新之处在于采用先进技术达到了处于世界领先水平的时间测量精度，通过TOF精确地测量了反物质原子核的质量，从而精准地捕捉到反氦4，该研究工作将影响深远。这些对反物质原子核的不懈探测极大地拓展了人类对物质性质的基本认识，并有助于破解宇宙正反物质不对称之谜。同时，在原子层次的反物质，如反氢原子，自1995年被欧洲核子研究中心科学家首次制备出来后，一系列的基础研究也在如火如荼地开展中。有理由相信，对我们物质世界的镜像的持续研究会带来更多的惊喜和突破。