Newswise — УПТОН, Нью-Йорк — Ученые, изучающие следы частиц, вылетающих из шести миллиардов столкновений атомных ядер на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) — «атомном сокрушителе», воссоздающем условия ранней Вселенной, — обнаружили новый вид Ядро антивещества, самое тяжелое из когда-либо обнаруженных. Эти экзотические антиядра, состоящие из четырех частиц антивещества — антипротона, двух антинейтронов и одного антигиперона, известны как антигиперводород-4.

Члены коллаборации STAR RHIC сделали это открытие, используя свой детектор частиц размером с дом для анализа деталей обломков столкновения. Они сообщают о своих результатах в журнале. Природа и объясните, как они уже использовали эти экзотические античастицы для поиска различий между материей и антиматерией.

«Наши физические знания о материи и антиматерии заключаются в том, что, за исключением противоположных электрических зарядов, антиматерия имеет те же свойства, что и материя — ту же массу, такое же время жизни до распада и те же взаимодействия», — сказал сотрудник STAR Цзюньлинь Ву, аспирант Объединенный факультет ядерной физики Ланьчжоуского университета и Института современной физики, Китай. Но реальность такова, что 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, все еще остается вопросом, и мы не знаем полного ответа», — сказал Ву.

RHIC, пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики США (DOE) для исследований в области ядерной физики в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики, является хорошим местом для изучения антиматерии. Столкновения тяжелых ионов — атомных ядер, лишенных электронов и ускоренных до скорости света, — плавят границы отдельных протонов и нейтронов ионов. Энергия, выделяемая в образовавшийся суп из свободных кварков и глюонов, самых фундаментальных строительных блоков видимой материи, порождает тысячи новых частиц. И, как и в ранней Вселенной, RHIC производит материю и антиматерию почти в равных количествах. Сравнение характеристик частиц материи и антиматерии, генерируемых в результате этих столкновений частиц, может дать ключ к разгадке некоторой асимметрии, которая склонила чашу весов в пользу существования материи в современном мире.

Обнаружение тяжелой антиматерии

«Чтобы изучить асимметрию материи-антиматерии, первым шагом является открытие новых частиц антиматерии», — сказал физик STAR Хао Цю, советник Ву в IMP. «Это основная логика данного исследования».

Физики STAR ранее наблюдали ядра, состоящие из антивещества, образовавшиеся в результате столкновений RHIC. В 2010 году они обнаружили антигипертритон. Это был первый случай существования ядра антивещества, содержащего гиперон — частицу, содержащую по крайней мере один «странный» кварк, а не только более легкие «верхние» и «нижние» кварки, из которых состоят обычные протоны и нейтроны. Затем, всего год спустя, физики STAR побили этот рекорд тяжеловесного антивещества, обнаружив эквивалент антивещества ядра гелия: антигелий-4.

Более поздний анализ показал, что антигиперводород-4 также может быть в пределах досягаемости. Но обнаружение этого нестабильного антигиперядра, в котором добавление антигиперона (в частности, антилямбда-частицы) вместо одного из протонов в антигелии снова вытеснило бы рекордсмена-тяжеловеса, было бы редким событием. Для этого потребовалось бы, чтобы все четыре компонента — один антипротон, два антинейтрона и один антилямбда — вылетели из кварк-глюонного супа, образующегося в результате столкновений RHIC, в нужном месте, в одном направлении и в нужное время, чтобы слипнуться вместе. во временно связанное состояние.

«Только случайно эти четыре составляющие частицы возникают в результате столкновений RHIC достаточно близко друг к другу, чтобы они могли объединиться, чтобы сформировать это антигиперядро», — сказал физик Брукхейвенской лаборатории Лиджуан Руан, один из двух сопредставителей коллаборации STAR.

Игла в стопке «пи»

Чтобы найти антигиперводород-4, физики STAR изучили следы частиц, на которые распадается это нестабильное антигиперядро. Одним из этих продуктов распада является ранее обнаруженное ядро ​​антигелия-4; другой — простая положительно заряженная частица, называемая пионом (pi⁺).

«Поскольку антигелий-4 уже был обнаружен в STAR, мы использовали тот же метод, который использовался ранее, чтобы обнаружить эти события, а затем реконструировали их с помощью пи⁺ треки, чтобы найти эти частицы», — сказал Ву.

«Только случайно эти четыре составляющие частицы возникают в результате столкновений RHIC достаточно близко друг к другу, чтобы они могли объединиться, чтобы сформировать это антигиперядро».

— Физик Брукхейвенской лаборатории и представитель STAR Лиджуань Жуань

Под реконструкцией он имеет в виду восстановление траекторий антигелия-4 и пи.⁺ частицы, чтобы увидеть, возникли ли они из одной точки. Но коллапсы RHIC производят много пионов. И чтобы найти редкие антигиперядра, ученые исследовали миллиарды событий столкновений! Каждый антигелий-4, возникающий в результате столкновения, может быть сопряжен с сотнями или даже 1000 пи.⁺ частицы.

«Главное заключалось в том, чтобы найти те, в которых треки двух частиц имеют точку пересечения или вершину распада с определенными характеристиками», — сказал Руан. То есть вершина распада должна находиться достаточно далеко от точки столкновения, чтобы две частицы могли возникнуть в результате распада антигиперядра, образовавшегося сразу после столкновения из частиц, первоначально образовавшихся в огненном шаре.

Команда STAR усердно работала, чтобы исключить происхождение всех других потенциальных партнеров пары распада. В конце концов, их анализ выявил 22 события-кандидата с предполагаемым количеством фоновых событий 6,4.

«Это означает, что около шести из тех событий, которые выглядят как распад антигиперводорода-4, могут быть просто случайным шумом», — сказала Эмили Дакворт, аспирантка Кентского государственного университета, чья роль заключалась в том, чтобы гарантировать, что компьютерный код, используемый для просеивания всех этих событий, и выясни, что сигналы написаны правильно.

Вычитание этого фона из 22 дает физикам уверенность, что они обнаружили около 16 реальных ядер антигиперводорода-4.

Сравнение материи и антиматерии

Результат был достаточно значительным, чтобы команда STAR провела несколько прямых сравнений материи и антиматерии.

Они сравнили время жизни антигиперводорода-4 со временем жизни гиперводорода-4, который состоит из обычных разновидностей тех же строительных блоков. Они также сравнили время жизни другой пары материи-антивещества: антигипертритона и гипертритона.

Ни один из них не показал существенной разницы, что не удивило ученых.

Они объяснили, что эксперименты были проверкой особенно сильной формы симметрии. Физики в целом согласны с тем, что нарушение этой симметрии будет крайне редким и не даст ответа на дисбаланс материи и антивещества во Вселенной.

«Если бы мы увидели нарушение [this particular] симметрии, то, по сути, нам придется выбросить в окно многое из того, что мы знаем о физике», — сказал Дакворт.

Так что в данном случае было своего рода утешением то, что симметрия все еще работает. Команда согласилась, что результаты еще раз подтвердили, что модели физиков верны и являются «большим шагом вперед в экспериментальных исследованиях антиматерии».

Следующим шагом будет измерение разницы масс между частицами и античастицами, которым занимается Дакворт, который был выбран в 2022 году для получения финансирования от программы исследований аспирантов Управления науки Министерства энергетики США.

Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США, Национальным научным фондом США и рядом международных агентств и организаций, перечисленных в научной статье. Исследователи использовали вычислительные ресурсы Центра научных данных и вычислений Брукхейвенской лаборатории, Национального научно-вычислительного центра энергетических исследований (NERSC) Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики и консорциума Open Science Grid. NERSC — еще один пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики США.

Брукхейвенская национальная лаборатория поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США. Управление науки является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите сайт science.energy.gov.

Следите за @BrookhavenLab в социальных сетях. Найдите нас в Instagram, LinkedIn, Хи Facebook.

Ссылки по теме