Открытие самого тяжёлого ядра антиматерии: антигиперводород-4

Группе учёных, работающих с данными о результатах шести миллиардов столкновений атомных ядер, удалось обнаружить новый вид антиядра, который стал самым тяжёлым из известных на данный момент. Исследования проводились на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC), который воссоздаёт условия, существующие в ранней Вселенной.

Эти экзотические антиядра, состоящие из четырёх частиц антиматерии — антипротона, двух антинейтронов и одного антигиперона — получили название антигиперводород-4.

Команда STAR, работающая в рамках проекта RHIC, представила результаты исследования в журнале Nature, рассказав о том, как они начали использовать эти экзотические частицы для выявления различий между материей и антиматерией.

Как заявил Цзюньлинь У, аспирант Объединённого факультета ядерной физики Университета Ланьчжоу и Института современной физики в Китае, «наши знания о материи и антиматерии заключаются в том, что, за исключением противоположных электрических зарядов, антиматерия имеет такие же свойства, что и материя: ту же массу, время жизни до распада и одинаковые взаимодействия».

Несмотря на симметричное создание материи и антиматерии во время Большого взрыва, около 14 миллиардов лет назад, современная Вселенная состоит преимущественно из материи. Ву добавил: «Почему в нашей Вселенной доминирует материя — вопрос, который до сих пор остаётся без ответа».

RHIC, исследовательский центр Министерства энергетики США по ядерной физике, является идеальной площадкой для изучения антиматерии. Столкновения тяжёлых ионов, атомных ядер, ускоренных до близких к скорости света скоростей, позволяют «расплавить» границы протонов и нейтронов.

Энергия, выделяемая при этих столкновениях, создаёт большой объём новых частиц, а также материю и антиматерию в примерно равных количествах, что помогает исследователям изучить особенности их взаимодействий.

Источники материи и антиматерии, образующиеся в ходе столкновений, могут дать ключ к пониманию той асимметрии, которая привела к преобладанию материи в нашем мире. Физик STAR Хао Цю объяснил: «Первая задача в исследовании этой асимметрии — находить новые частицы антиматерии».

Ранее команда STAR уже наблюдала антиядра, созданные при столкновениях RHIC. В 2010 году они открыли антигипертритон — первое ядро антиматерии, содержащее гиперон, обладающий хотя бы одним «странным» кварком. В 2011 году учёные зафиксировали антигелий-4, эквивалент антиисодина.

С недавними наблюдениями, проведёнными с целью обнаружения антигиперводорода-4, научная группа применила методику, аналогичную той, которая использовалась для антигелий-4. В этом случае, чтобы идентифицировать редкие антигиперядра, физики анализировали распады нестабильных состояний.

По словам физика Лицзюаня Жуань, «редкое возникновение всех четырёх компонентов необходимо для создания антигиперядра. Это очень большая удача, если они окажутся достаточно близко для соединения».

Чтобы найти антигиперводород-4, команда STAR проследила за треками частиц на этапе распада этого нестабильного антигиперядра, обнаружив среди них антигелий-4 и положительную частицу, известную как пионом.

«Анализируя возникновение антигелия-4 с пионовыми треками, мы смогли восстановить общие координаты и подтвердить, что частицы образовались после столкновения», — пояснил Ву.

Огромное количество пионов, появляющихся при столкновениях RHIC, заставило учёных детально «просеивать» миллиарды событий, выделяя из этого моря частиц специфические распады. Команда выявила 22 события-кандидата с предполагаемым фоновым числом 6,4.

Эмили Дакворт, аспирант Университета штата Кент, работала над компьютерными алгоритмами для обработки данных. Вычитание фона показало, что около 16 из 22 наблюдаемых событий были реальными распадами антигиперводорода-4.

Эти результаты величественны, так как они позволили провести прямые сравнения времени жизни антигиперводорода-4 и гиперводорода-4, который состоит из обычных частиц. Ничто не показало существенных различий, что не стало сюрпризом для учёных.

«Когда мы не наблюдаем нарушений симметрии, это подтверждает, что наши теории и модели верны», — заключила Дакворт. Эти выводы считают «большим шагом в исследовании антиматерии», что подтверждает эффективность используемых в процессе подходов.

Следующий этап исследований сосредоточится на измерении различий в массах частиц и античастиц, делая акцент на более глубокое понимание их свойств.