Учёные, изучающие треки частиц от шести миллиардов столкновений атомных ядер на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC — «атомном ускорителе», воссоздающем условия ранней Вселенной, — обнаружили новый тип ядра антиматерии, самый тяжёлый из когда-либо обнаруженных.
Состоящие из четырёх частиц антиматерии — антипротона, двух антинейтронов и одного антигиперона — эти экзотические антиядра названы антигиперводород-4.
Участники RHIC's STAR Collaboration сделали это открытие, используя свой детектор частиц для анализа деталей столкновения. Они сообщили о результатах в журнале Nature и объяснили, как они уже использовали эти экзотические античастицы для поиска различий между материей и антиматерией.
«Наши знания о материи и антиматерии таковы, что, за исключением наличия противоположных электрических зарядов, антиматерия имеет те же свойства, что и материя, — ту же массу, то же время жизни до распада и те же взаимодействия», — сказал сотрудник STAR Цзюньлинь У, аспирант Объединённого факультета ядерной физики Университета Ланьчжоу и Института современной физики в Китае.
Однако наша Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии, хотя считается, что обе они были созданы в равных количествах во время Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад. «Почему в нашей Вселенной доминирует материя, всё ещё остается вопросом, и мы не знаем полного ответа», — сказал Ву.
RHIC, исследовательский центр Министерства энергетики США (DOE) по научным исследованиям в области ядерной физики в Брукхейвенской национальной лаборатории DOE, является хорошим местом для изучения антиматерии. Его столкновения тяжёлых ионов — атомных ядер, лишённых электронов и ускоренных до скорости, близкой к скорости света, — расплавляют границы отдельных протонов и нейтронов ионов.
Энергия, накопленная в полученном супе свободных кварков и глюонов, фундаментальных строительных блоков видимой материи, генерирует тысячи новых частиц. И как и ранняя Вселенная, RHIC производит материю и антиматерию почти в равных количествах.
Сравнение характеристик частиц материи и антиматерии, образующихся в результате этих столкновений частиц, может дать ключ к разгадке некой асимметрии, которая склонила чашу весов в пользу материи в современном мире. «Чтобы изучить асимметрию материи-антиматерии, первым шагом будет открытие новых частиц антиматерии. Это базовая логика исследования», — сказал физик STAR Хао Цю, научный руководитель У в IMP.
Физики STAR ранее наблюдали ядра, состоящие из антиматерии, созданной при столкновениях RHIC. В 2010 году они обнаружили антигипертритон. Это был первый случай ядра антиматерии, содержащего гиперон, который является частицей, содержащей по крайней мере один «странный» кварк, а не только более лёгкие «верхний» и «нижний» кварки, из которых состоят обычные протоны и нейтроны.
Затем, всего год спустя, физики проекта STAR побили этот рекорд по количеству антиматерии, обнаружив эквивалент антиматерии ядра гелия: антигелий-4.
Более поздний анализ показал, что антигипергидроген-4 также может быть в пределах досягаемости. Но его обнаружение было бы редким событием. Для этого требуется, чтобы все четыре компонента — один антипротон, два антинейтрона и одна антилямбда — были испущены из кварк-глюонного супа, образующегося при столкновениях RHIC, в нужном месте, направлены в одном направлении и в нужное время, чтобы соединиться во временно связанное состояние.
«Только по чистой случайности эти четыре составляющие частицы возникают в результате столкновений RHIC достаточно близко друг к другу, чтобы объединиться и сформировать это антигиперядро», — сказал физик из Брукхейвенской лаборатории Лицзюань Жуань, один из двух представителей коллаборации STAR.
Чтобы найти антигиперводород-4, физики STAR изучили треки частиц, на которые распадается это нестабильное антигиперядро. Одним из продуктов распада является ранее обнаруженное ядро ??антигелия-4, другим является простая положительно заряженная частица, называемая пионом (pi+).
«Поскольку антигелий-4 уже был обнаружен в STAR, мы использовали тот же метод, который применялся ранее, чтобы выделить эти события, а затем реконструировали их с помощью pi+ треков, чтобы найти эти частицы», — сказал Ву.
Под реконструкцией он подразумевает повторную прослеживание траекторий частиц антигелия-4 и pi+, чтобы увидеть, появились ли они из одной координаты. Но столкновения RHIC производят много пионов. И чтобы найти редкие антигиперядра, учёные «просеивали» миллиарды событий столкновений Каждый антигелий-4, появляющийся в результате столкновения, может быть связан с сотнями или даже 1000 частиц pi+.
Ключом было найти те, где треки двух частиц имеют точку пересечения или вершину распада с определёнными характеристиками. То есть вершина распада должна быть достаточно далеко от точки столкновения, чтобы две частицы могли возникнуть в результате распада античастицы, образовавшейся сразу после столкновения частиц.
Команда STAR исключила фон всех других потенциальных партнёров по паре распада. В конце концов, их анализ выявил 22 события-кандидата с предполагаемым фоновым числом 6,4.
«Это означает, что около шести из тех, которые выглядят как распады антигипергидрогена-4, могут быть просто случайным шумом», — сказала Эмили Дакворт, докторант Университета штата Кент, чья роль заключалась в работе над компьютерным кодом, используемом для «просеивания» всех этих событий и выделения сигналов. Вычитание этого фона из 22 даёт физикам уверенность в том, что они обнаружили около 16 реальных ядер антигиперводорода-4.
Результат оказался достаточно значительным, чтобы команда STAR смогла провести некоторые прямые сравнения материи и антиматерии. Они сравнили время жизни антигиперводорода-4 с временем жизни гиперводорода-4, который состоит из обычных разновидностей материи тех же строительных блоков. Они также сравнили время жизни для другой пары материя-антиматерия: антигипертритона и гипертритона. Ни один из них не показал существенной разницы, что не удивило учёных.
Эксперименты, объяснили они, были проверкой особенно сильной формы симметрии. Физики в целом согласны, что нарушение этой симметрии будет чрезвычайно редким и не будет содержать ответа на дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной.
«Если бы мы увидели нарушение [этой конкретной] симметрии, то нам, по сути, пришлось бы выбросить в окно многое из того, что мы знаем о физике», — сказал Дакворт. Так что в этом случае было своего рода утешением, что симметрия всё ещё работает. Команда согласилась, что результаты ещё раз подтвердили, что модели физиков верны и являются «большим шагом вперёд в экспериментальном исследовании антиматерии».
Следующим шагом станет измерение разницы масс между частицами и античастицами, чем и занимается Дакворт.