Открито нов вид ядро от антиматерия, най-тежкото идентифицирано досега, след като учени изследвали следите от частици от шест милиарда сблъсъци на атомни ядра в релативистичния ускорител на тежки йони (RHIC - Relativistic Heavy Ion Collider) – "разбивач на атоми", който пресъздава условията на ранната вселена.
Съставени от четири частици антиматерия – антипротон, два антинеутрона и един антиламбда хиперон – тези екзотични антиядра са наречени антихиперводород-4.
Откритието е на членове на колаборацията STAR на RHIC, които обясняват как вече са използвали тези екзотични античастици, за да търсят разлики между материята и антиматерията. Резултатите са публикувани в списание Nature.
"Нашите познания по физика за материята и антиматерията са, че с изключение на противоположните електрически заряди, антиматерията има същите свойства като материята – същата маса, същия живот преди разпадане и същите взаимодействия", подчертава сътрудникът на STAR Дзюнлин У (Junlin Wu) от Университет Ланджоу и Институт за съвременна физика, Китай.
Но реалността е, че нашата вселена е направена от материя, а не от антиматерия, въпреки че се смята, че и двете са били създадени в еднакви количества по време на Големия взрив преди около 14 милиарда години.
"Защо нашата вселена е доминирана от материя все още е въпрос, на който не знаем пълния отговор", коментира Дзюнлин У.
RHIC е съоръжение на Министерството на енергетиката на САЩ (DOE) Службата за наука за изследвания в областта на ядрената физика в Националната лаборатория Брукхейвън на DOE, в което се изучава и антиматерията. Тук се извършват сблъсъци на тежки йони - атомни ядра, които са били лишени от своите електрони и ускорени близо до скоростта на светлината - стопявайки границите на отделните протони и неутрони на йоните.
Физиците, изучаващи сблъсъци на частици в релативистичния ускорител на тежки йони (RHIC), са публикуваха първото си наблюдение на насочен поток от хиперядра през май 2023 г. Тези краткотрайни, редки ядра съдържат поне един "хиперон" в допълнение към обикновените протони и неутрони. Хипероните съдържат поне един "странен" кварк на мястото на един от горните или долните кварки, които изграждат обикновените нуклони (общото име за протони и неутрони). Кредит: BrookhavenLab
Енергията в получената супа от свободни кварки и глуони (т.нар. кварк-глуонна супа), най-фундаменталните градивни елементи на видимата материя, генерира хиляди нови частици. И подобно на ранната вселена, RHIC произвежда материя и антиматерия в почти равни количества.
Сравняването на характеристиките на частиците на материята и антиматерията, генерирани в тези разбивания на частици, може да предложи улики за някаква асиметрия, която накланя везните в полза на съществуването на материя в днешния свят.
Откриване на тежка антиматерия
Целта на проучването е да се изследва асиметрията материя-антиматерия, а първата стъпка е откриването на нови частици антиматерия.
Физиците от STAR преди това са наблюдавали ядра, направени от антиматерия, създадени при сблъсъци на RHIC. През 2010 г. те откриват антихипертритона. Това е бил първият случай на ядро от антиматерия, съдържащо хиперон, общото име на частици, съдържащи поне един "странен" кварк, а не само по-леките "горни" и "долни" кварки, които изграждат обикновените протони и неутрони.
Видове хиперони: отляво-надясно: ламбда, сигма, кси, омега.
Тогава, само година по-късно, физиците от STAR чупят този тежък рекорд на антиматерията, откривайки еквивалента на антиматерията на хелиевото ядро: антихелий-4 .
По-скорошен анализ предполага, че антихиперводород-4 също може да бъде получен. Но откриването на това нестабилно антихиперядро - където добавянето на един антихиперон (по-точно антиламбда частица) на мястото на един от протоните в антихелия би изпреварило отново рекордьора в тежка категория. Това наистина би било рядко събитие.
Това би изисквало и четирите компонента - един антипротон, два антинеутрона и един антиламбда - да бъдат излъчени от кварк-глуонната супа, генерирана в сблъсъците в RHIC, на точното място, насочени в една и съща посока и в точното време, за да се слеят заедно във временно обвързано състояние.
"Само случайно може тези четири съставни частици да излязат от сблъсъци на RHIC достатъчно близо една до друга, за да могат да се комбинират, за да образуват това антихиперядро", отбелязва физикът от Националната лаборатория Брукхейвън Лидзюен Жуан (Lijuan Ruan), един от двамата говорители на STAR Collaboration.
Игла в купчина "пи".
За да намерят антихиперводород-4, физиците от STAR са разгледали следите на частиците, на които се разпада това нестабилно антихиперядро. Един от тези продукти на разпадане е откритото по-рано ядро антихелий-4; другият е проста положително заредена частица, наречена пион (pi+ ).
"Тъй като антихелий-4 вече бе открит в STAR, приложехме същия метод, използван преди, за да уловим тези събития и след това ги реконструирахме със следи от pi +, за да открием тези частици", споделя Дзюнлин У.
Съставно изображение на детектора STAR и пример за следи от частици, които открива, излизащи от сблъсък злато със злато в релативистичния ускорител на тежки йони (RHIC) в Националната лаборатория Брукхейвън. Кредит: Joe Rubino and Jen Abramowitz/Brookhaven National Laboratory
Под реконструкция той има предвид проследяване на траекториите на частиците антихелий-4 и pi+ , за да види дали са излезли от една точка. Но RHIC произвежда много пиони. И за да намерят редките антихиперядра, учените са пресявали милиарди сблъсъци! Всеки антихелий-4, излизащ от сблъсък, може да бъде сдвоен със стотици или дори хиляди pi + частици.
"Ключът бе да се намерят тези, при които двете следи от частици имат точка на пресичане или връх на разпадане с конкретни характеристики", обяснява Жуан.
Тоест, върхът на разпадане трябва да е достатъчно далеч от точката на сблъсък, за да могат двете частици да са произлезли от разпадането на антихиперядро, образуван точно след сблъсъка от частици, първоначално генерирани в огненото кълбо.
Екипът на STAR работи усилено, за да изключи фона на всички други потенциални партньори по двойки разпад. В крайна сметка техният анализ стига до 22 кандидат-събития.
Около шест от тях, които изглеждат като разпадане от антихиперводород-4, са вероятно просто случаен шум.
Изваждането на този фон от 22 дава на физиците увереност, че са открили около 16 действителни ядра на антихиперводород-4.
Сравнение материя-антиматерия
Резултатът ше достатъчно значим, за да може екипът на STAR да направи някои директни сравнения между материя и антиматерия.
Те сравняват живота на антихиперводород-4 с този на хиперводород-4, който е направен от разновидностите на обикновената материя на същите градивни елементи. Те също сравняват живота на друга двойка материя-антиматерия: антихипертритон и хипертритон. (Хипертритонът е вид хиперядро, образувано от протон, неутрон и някакъв хиперон. Името идва от хиперон и ядро на тритий )
Нито един от тях не показва значителна разлика, което не изненада учените.
Изследователите обясняват, че експериментите са тест за особено силна форма на симетрия. Физиците като цяло са единодушни, че нарушението на тази симетрия би било изключително рядко и няма да съдържа отговора на дисбаланса материя-антиматерия във Вселената.
"Ако можеше да видим нарушение на [тази конкретна] симетрия, всъщност ще трябва да изхвърлим много от това, което знаем за физиката през прозореца", отбелязва съавторът Емили Дъкуърт (Emilie Duckworth).
Така че в този случай бе някак утешително, че симетрията все още работи. Според екипа резултатите допълнително потвърждават, че моделите на физиците са правилни и са "голяма крачка напред в експерименталните изследвания на антиматерията".
Следващата стъпка ще бъде измерването на разликата в масите между частиците и античастиците.
Справка: Hao Qiu, Observation of the Antimatter Hypernucleus, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07823-0. www.nature.com/articles/s41586-024-07823-0
Източник: New heaviest exotic antimatter nucleus discovered, Brookhaven National Laboratory
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари