С помощью эксперимента A Large Ion Collider Experiment (ALICE) на Большом адронном коллайдере (БАК) исследователи обнаружили антигипергелий-4, самое тяжелое гиперядро антиматерии из когда-либо зарегистрированных. Это открытие последовало за обнаружением антигиперводорода-4 (предыдущий рекорд массы) и может дать ключ к лучшему пониманию загадки асимметрии материи и антиматерии во Вселенной.
В результате столкновений тяжелых ионов на БАК образуется плазма из кварков и глюонов. Известная также как «первобытный суп», эта горячая, плотная материя заполнила Вселенную примерно через миллионную долю секунды после Большого взрыва. В результате столкновений также образуются атомные ядра, экзотические частицы, называемые «гиперядрами», и их антивещественные аналоги — антиядра и антигиперядра.
Впервые обнаруженные в 1970-х годах, гиперядра представляют собой компактные частицы диаметром около 2 фемтометров (1 фемтометр соответствует 10-15 метрам), содержащие протоны и нейтроны, а также нестабильные частицы, называемые гиперонами. В то время как протоны и нейтроны содержат два типа кварков, известных как «вверний» и «нижний», гипероны содержат один или несколько кварков, известных как «странные».
Физики считают, что обнаружение и количественное определение этих частиц необходимо для понимания асимметрии материи и антиматерии (преобладания материи над антиматерией), наблюдаемой в современной Вселенной. Происхождение этого дисбаланса — одна из величайших загадок современной физики, учитывая, что материя и антиматерия существовали в равных количествах в самом начале существования Вселенной. Тем не менее, этот дисбаланс необходим для существования Вселенной, поскольку материя и антиматерия аннигилируют при контакте друг с другом.
Однако гиперядра крайне редки в природе, и их очень трудно создать в лаборатории. До недавнего времени наблюдались только гипертритон и антигипертритон — самое легкое гиперядро и его аналог из антиматерии. Гипертритон состоит из протона, нейтрона и частицы лямбда (гиперон, содержащий странный кварк), а антигипертритон — из антипротона, антинейтрона и антилямбды.
Антигипергидроген-4 был недавно обнаружен на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Нью-Йорке и до сих пор являлся самой тяжелой из наблюдаемых частиц антивещества. В продолжение этого эксперимента коллаборация ALICE обнаружила антигипергелий-4. «Вслед за наблюдением антигиперводорода-4 (состоящего из одного антипротона, двух антинейтронов и одной антилямбды), о котором ранее в этом году сообщила коллаборация STAR на RHIC, коллаборация ALICE на БАКе впервые в истории обнаружила антигипергелий-4, состоящий из двух антипротонов, одного антинейтрона и одной антилямбды», — объясняют исследователи коллаборации ALICE в пресс-релизе. Результаты эксперимента описаны на сервере предварительных публикаций arXiv.
В то время как большинство детекторов БАК используют столкновение протонов для обнаружения определенных частиц, ALICE создает кварк-глюонную плазму путем столкновения гораздо более тяжелых частиц. Чтобы обнаружить антигипергелий-4, детектор проводил столкновения свинца со свинцом с энергией ускорения 5,02 тераэлектронвольта. Чтобы обнаружить сигнатуру частицы антивещества, исследователи использовали алгоритм машинного обучения, возможности которого превосходят традиционные методы обнаружения.
В частности, алгоритм использовал данные ALICE для обнаружения сигнатур гипергидрогена-4, гипергелия-4 и их аналогов из антивещества. Кандидаты в антигипергидрогены-4 были идентифицированы путем поиска ядра антигелия-4 и заряженного пиона (вторичной частицы, созданной в результате аннигиляции материи и антиматерии), в который он распадается. В противоположность этому, кандидаты в антигипергелий-4 были идентифицированы путем обнаружения их распада на ядро антигелия-3, антипротон и заряженный пион.
Помимо обнаружения признаков антигиперводорода-4 и антигипергелия-4, команде также удалось определить их массы и количество, образующееся при столкновениях свинца со свинцом. Результаты определения масс согласуются с предсказаниями современных теорий физики частиц. Они также указывают на то, что частицы антиматерии и материи образуются в равных количествах из кварк-глюонной плазмы и при тех уровнях энергии, которые способен достичь БАК.
«Для обоих гиперядер измеренные массы совместимы с текущими средними мировыми значениями», — объясняют исследователи. «Измеренные производственные выходы были сравнены с предсказаниями статистической модели адронизации [процесс, в котором свободные глюоны и кварки собираются в адроны], которая хорошо описывает образование адронов и ядер в столкновениях тяжелых ионов», — добавляют они.
Однако полученные данные пока не показывают никаких признаков зарождения дисбаланса материи и антиматерии. Тем не менее, обнаружение этих двух тяжелых частиц антиматерии может дать важные подсказки к этому эффекту.
Запись БАК обнаружил самую тяжелую частицу антивещества впервые опубликована на сайте Про технологии.