Исследователи, занимающиеся анализом треков частиц, образующихся в результате шести миллиардов столкновений атомных ядер на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) — «атомном ускорителе», воспроизводящем условия ранней Вселенной, — обнаружили новый тип ядра антиматерии, самое массивное из известных на сегодняшний день.
Эти экзотические антиядра, содержащие четыре частицы антиматерии — антипротон, два антинейтрона и один антигиперон — были названы антигиперводород-4.
Члены RHIC’s STAR Collaboration сделали это открытие, используя свой детектор частиц для изучения деталей столкновений. Они опубликовали результаты в журнале Nature и объяснили, как использовали эти экзотические античастицы для анализа различий между материей и антиматерией.
«Наши знания о материи и антиматерии показывают, что, за исключением противоположных электрических зарядов, свойства антиматерии идентичны с материей, включая массу, время жизни до распада и взаимодействия», — пояснил Цзюньлинь У, член STAR и аспирант Объединённого факультета ядерной физики Университета Ланьчжоу и Института современной физики в Китае.
Источник: Joe Rubino, Jen Abramowitz / Brookhaven National Laboratory
Однако наша Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии, несмотря на предположение, что обе были созданы в равных количествах при Большом взрыве около 14 миллиардов лет назад. «Почему в нашей Вселенной доминирует материя, остаётся загадкой без окончательного ответа», — отметил Ву.
RHIC, исследовательский центр Министерства энергетики США (DOE) для ядерной физики в Брукхейвенской национальной лаборатории, является идеальным местом для изучения антиматерии. Столкновения тяжёлых ионов — атомных ядер без электронов, ускоренных до скорости, близкой к световой, — разрушают структуры отдельных протонов и нейтронов.
Энергия, накопленная в полученном супе свободных кварков и глюонов, фундаментальных составляющих видимой материи, генерирует тысячи новых частиц. И, подобно ранней Вселенной, RHIC создает материю и антиматерию почти в равных пропорциях.
Сравнение характеристик частиц материи и антиматерии, образующихся при этих столкновениях, может раскрыть ключ к разгадке асимметрии, которая привела к доминированию материи в современном мире. «Для исследования асимметрии материи и антиматерии первым шагом является открытие новых частиц антиматерии. Это основная логика исследования», — сказал физик STAR Хао Цю, научный руководитель У в IMP.
Физики STAR раньше наблюдали ядра, состоящие из антиматерии, образованные при столкновениях на RHIC. В 2010 году они обнаружили антигипертритон — первое ядро антиматерии, содержащее гиперон, частицу с «странным» кварком, наряду с обычными «верхними» и «нижними» кварками.
В следующем году они побили этот рекорд, обнаружив ядро антиматерии, эквивалентное ядру гелия: антигелий-4.
Поздний анализ показал, что антигипергидроген-4 также может быть доступен для обнаружения. Но его нахождение было бы редким событием, требующим, чтобы все четыре компонента — один антипротон, два антинейтрона и одна антилямбда — высвобождались из кварк-глюонного супа при столкновениях в нужном месте и в одно время для формирования временно стабильного состояния.
«Только благодаря чистой случайности эти четыре компонента возникают достаточно близко друг к другу, чтобы объединиться и сформировать антигиперядро», — сказал физик из Брукхейвенской лаборатории Лицзюань Жуань, один из представителей команды STAR.
Чтобы найти антигиперводород-4, физики STAR анализировали треки распада этого нестабильного антигиперядра. Одним из продуктов распада является ранее обнаруженный антигелий-4, другим — простая положительно заряженная частица, называемая пионом (pi+).
«Поскольку антигелий-4 уже был найден в STAR, мы использовали аналогичный метод для выделения этих событий и реконструировали их, опираясь на треки pi+, чтобы обнаружить эти частицы», — сказал Ву.
Под реконструкцией подразумевается отслеживание траекторий антигелия-4 и pi+, чтобы проверить, возникают ли они из одной координаты. Однако столкновения на RHIC производят множество пионов, и для нахождения редких антигиперъядер учёные проанализировали миллиарды событий столкновений. Каждый антигелий-4 может быть связан с сотнями или даже тысячами частиц pi+.
Ключевым моментом было найти точки пересечения треков двух частиц или вершины распада с определёнными характеристиками, такие как достаточное удаление от точки столкновения для подтверждения распада античастицы, образованной после столкновения.
Команда STAR исключила фоновый шум от всех других потенциальных партнеров по паре распада. В итоге их анализ выявил 22 кандидатных события при предполагаемом фоне 6,4.
«Это означает, что около шести из 22 событий могут быть случайным шумом», — сказала Эмили Дакворт, докторант Университета штата Кент, работающая над кодом для анализа этих событий. Вычитание фона дало уверенность в обнаружении около 16 реальных ядер антигиперводорода-4.
Результаты оказались значительными, и команда провела прямое сравнение времени жизни антигиперводорода-4 с гиперводородом-4, состоящим из обычной материи с аналогичными компонентами. Они также сравнили время жизни пары антигипертритона и гипертритона, не обнаружив существенных различий.
Эксперименты показали соблюдение симметрии, нарушение которой крайне редко и не связано с дисбалансом материи и антиматерии. «Если бы мы обнаружили нарушение симметрии, нам пришлось бы пересмотреть многие поня―тия в физике», — сказала Дакворт, отметив, что полученные результаты являются утешительными и подтверждают правильность моделей физиков.
Следующим шагом станет измерение различий в массах между частицами и античастицами, чем и занимается Дакворт.
Источник: iXBT
