Вчені виявили найважче ядро ​​антиматерії

Вчені, які вивчають треки частинок від шести мільярдів зіткнень атомних ядер на Релятивістському колайдері важких іонів RHIC — «атомному прискорювачі», що відтворює умови раннього Всесвіту, — виявили новий тип ядра антиматерії, найважчий із коли-небудь виявлених.

Ті екзотичні антиядра, що складаються з чотирьох частинок антиматерії — антипротону, двох антинейтронів і одного антигіперону — названі антигіперводень-4.

Учасники RHIC’s STAR Collaboration зробили це відкриття за допомогою свого детектора частинок для аналізу деталей зіткнення. Вони повідомили про результати в журналі Nature та пояснили, як вони вже використовували ці екзотичні античастинки для пошуку відмінностей між матерією та антиматерією.

«Наші знання про матерію та антиматерію такі, що, за винятком наявності протилежних електричних зарядів, антиматерія має ті самі властивості, що й матерія, — ту саму масу, той самий час життя до розпаду і ті ж взаємодії», — сказав співробітник STAR Цзюньлінь У, аспірант Об’єднаного факультету ядерної фізики Університету Ланьчжоу та Інституту сучасної фізики у Китаї.

Однак наш Всесвіт складається з матерії, а не антиматерії, хоча вважається, що обидві вони були створені в рівних кількостях під час Великого вибуху близько 14 мільярдів років тому. «Чому в нашому Всесвіті домінує матерія, все ще залишається питанням, і ми не знаємо повної відповіді», — сказав Ву.

RHIC, дослідницький центр Міністерства енергетики США (DOE) з наукових досліджень у галузі ядерної фізики в Брукхейвенській національній лабораторії DOE, є добрим місцем для вивчення антиматерії. Його зіткнення важких іонів — атомних ядер, позбавлених електронів і прискорених до швидкості, близької швидкості світла, — розплавляють межі окремих протонів і нейтронів іонів.

Енергія, накопичена в отриманому супі вільних кварків та глюонів, фундаментальних будівельних блоків видимої матерії, генерує тисячі нових частинок. І як і ранній Всесвіт, RHIC виробляє матерію та антиматерію майже в рівних кількостях.

Порівняння характеристик частинок матерії та антиматерії, що утворюються в результаті цих зіткнень частинок, може дати ключ до розгадки якоїсь асиметрії, яка схилила шальки терезів на користь матерії в сучасному світі. Щоб вивчити асиметрію матерії-антиматерії, першим кроком буде відкриття нових частинок антиматерії. Це базова логіка дослідження», — сказав фізик STAR Хао Цю, науковий керівник У IMP.

Фізики STAR раніше спостерігали ядра, що складаються з антиматерії, створеної під час зіткнень RHIC. У 2010 році вони виявили антигіпертритон. Це був перший випадок ядра антиматерії, що містить гіперон, який є частинкою, що містить принаймні один «дивний» кварк, а не лише легші «верхній» та «нижній» кварки, з яких складаються звичайні протони та нейтрони.

Потім, лише через рік, фізики проекту STAR побили цей рекорд за кількістю антиматерії, виявивши еквівалент антиматерії ядра гелію: антигелій-4.

Пізніший аналіз показав, що антигіпергідрогена-4 також може бути в межах досяжності. Але його виявлення було б рідкісною подією. Для цього потрібно, щоб всі чотири компоненти — один антипротон, два антинейтрони і одна антилямбда — були випущені з кварк-глюонного супу, що утворюється при зіткненнях RHIC, в потрібному місці, спрямовані в одному напрямку і в потрібний час, щоб з’єднатися в тимчасово пов’язаний стан .

«Тільки з чистого випадку ці чотири складові частинки виникають в результаті зіткнень RHIC досить близько один до одного, щоб об’єднатися і сформувати це антигіперядро», — сказав фізик з Брукхейвенської лабораторії Ліцзюань Жуань, один з двох представників колаборації STAR.

Щоб знайти антигіперводень-4, фізики STAR вивчили треки частинок, на які розпадається це нестабільне антигіперядро. Одним із продуктів розпаду є раніше виявлене ядро ​​антигелію-4, іншим є проста позитивно заряджена частка, звана півонією (pi+).

«Оскільки антигелій-4 вже був виявлений у STAR, ми використовували той же метод, який застосовувався раніше, щоб виділити ці події, а потім реконструювали їх за допомогою pi+ треків, щоб знайти ці частинки», — сказав Ву.

Під реконструкцією він має на увазі повторне простеження траєкторій частинок антигелію-4 та pi+, щоб побачити, чи з’явилися вони з однієї координати. Але зіткнення RHIC роблять багато півонії. І щоб знайти рідкісні антигіперядра, вчені «просіювали» мільярди подій зіткнень Кожен антигелій-4, що з’являється в результаті зіткнення, може бути пов’язаний із сотнями або навіть 1000 частинок pi+.

Ключем було знайти ті, де треки двох частинок мають точку перетину або вершину розпаду з певними характеристиками. Тобто вершина розпаду повинна бути досить далекою від точки зіткнення, щоб дві частинки могли виникнути в результаті розпаду античастинки, що утворилася відразу після зіткнення частинок.

Команда STAR виключила фон усіх інших потенційних партнерів із пари розпаду. Зрештою, їхній аналіз виявив 22 події-кандидата з передбачуваним фоновим числом 6,4.

«Це означає, що близько шести з тих, які виглядають як розпади антигіпергідрогена-4, можуть бути просто випадковим шумом», — сказала Емілі Дакворт, докторант Університету штату Кент, чия роль полягала в роботі над комп’ютерним кодом, який використовується для «просіювання» всіх цих подій та виділення сигналів. Віднімання цього фону з 22 дає фізикам впевненість у тому, що вони виявили близько 16 реальних ядер антигіперводню-4.

Результат виявився досить значним, щоб команда STAR змогла провести деякі прямі порівняння матерії та антиматерії. Вони порівняли час життя антигіперводню-4 з часом життя гіперводню-4, який складається із звичайних різновидів матерії тих же будівельних блоків. Вони також порівняли час життя для іншої пари матерія-антиматерія: антигіпертритону та гіпертритону. Жоден із них не показав суттєвої різниці, що не здивувало вчених.

Експерименти, пояснили вони, були перевіркою особливо сильної форми симетрії. Фізики в цілому згодні, що порушення цієї симетрії буде надзвичайно рідкісним і не міститиме відповіді на дисбаланс матерії та антиматерії у Всесвіті.

«Якби ми побачили порушення [цієї конкретної] симетрії, то нам, по суті, довелося б викинути у вікно багато з того, що ми знаємо про фізику», — сказав Дакворт. Так що в цьому випадку було своєрідною втіхою, що симетрія все ще працює. Команда погодилася, що результати ще раз підтвердили, що моделі фізиків є вірними і є «великим кроком вперед в експериментальному дослідженні антиматерії».