Самое тяжелое среди известных на сегодняшний день гиперядро антиматерии — антигиперводород-4 — обнаружили ученые во время экспериментов на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в США. Новость об открытии можно прочитать на нашем портале. Каково значение этого события в мире науки? Что мы знаем и что хотим узнать об антивеществе? Об этом «Научной России» рассказал исполняющий обязанности руководителя отдела теоретической физики Института физики высоких энергий им. А.А. Логунова НИЦ «Курчатовский институт», доктор физико-математических наук Владимир Алексеевич Петров.
Гиперядро — система из связанных между собой сильным взаимодействием протонов, нейтронов и одной либо нескольких элементарных частиц, называемых гиперонами. Как несложно догадаться, гиперядра антиматерии отличаются от своих «отражений» тем, что состоят из античастиц: антипротонов, антинейтронов и антигиперонов.
Напомним, что в конце августа 2024 г. группа исследователей, представляющих 70 институтов и университетов Америки, Азии и Европы и объединенная в эксперименте STAR, опубликовала в журнале Nature статью, в которой осветила открытие самого тяжелого известного науке гиперядра антиматерии, обнаруженного во время экспериментов на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в г. Брукхейвен (США). Разгоняя пучки тяжелых ионов почти до скорости света, эта система частично имитирует условия, царившие во Вселенной спустя микросекунды после Большого Взрыва. В результате столкновений в коллайдере формируются «огненные шары» с температурой в несколько триллионов градусов, примерно в равном соотношении содержащие материю и антиматерию. Далее эта раскаленная масса стремительно расширяется и остывает — при этом большому количеству антивещества удается избежать аннигиляции с обычной материей. «Сбежавшие» частицы обнаруживает детекторный комплекс STAR. С помощью этой установки проводятся одноименные эксперименты, цель которых — выявить причину наблюдаемой во Вселенной барионной асимметрии (преобладания вещества над антивеществом), которая до сих пор определена не до конца.
Исполняющий обязанности руководителя отдела теоретической физики Института физики высоких энергий им. А.А. Логунова НИЦ «Курчатовский институт», доктор физико-математических наук Владимир Алексеевич Петров.
Фото: Николай Малахин / «Научная Россия»
«Безусловно, это редкое событие, потребовавшее огромного труда экспериментаторов, — прокомментировал открытие Владимир Алексеевич Петров. — С точки зрения теории, рождение вещества и антивещества в малых масштабах (не более 10-13 см) одинаково возможно. Асимметрия наблюдается уже в макро- и мегамире. Выяснение того, почему это происходит, остается предметом исследований, призванных определить, где и как начинается асимметрия, и очень далеких от завершения. И в этом отношении открытие нового гиперядра антиматерии — антигиперводорода-4 — существенный шаг вперед. Добавлю, что “воссоздание условий первых мгновений существования Вселенной” в ускорителе — это, скорее, привлекательный штамп, поскольку условия в начале эволюции были много сложнее, так как вместе с материей рождались и сами формы ее существования, то есть пространство и время».
Антигиперводород-4 состоит из одного антипротона (p̅), двух антинейтронов (n̅) и одного анти-лямбда-гиперона (Λ̅). Из-за того, что анти-лямбда-гиперон нестабилен, это гиперядро быстро распадается, успев пролететь всего несколько сантиметров. Масса антигиперводорода-4 побила рекорд, установленный открытым в 2011 г. антигелием-4, состоящим из двух антипротонов и двух антинейтронов. Различие объясняется просто: «на месте» одного из антипротонов в новом гиперядре стоит превосходящий его по массе анти-лямбда-гиперон.
Чем интересны лямбда-гипероны и как они были открыты?
«Как известно, атомные ядра имеющихся в природе элементов состоят из протонов и нейтронов, что было установлено известным советским физиком-теоретиком Дмитрием Дмитриевичем Иваненко еще в 1932 г. В том же году лауреат Нобелевской премии и один из основателей квантовой механики Вернер Карл Гейзенберг показал, что протон и нейтрон можно рассматривать как два состояния одной частицы — бариона, — объяснил В.А. Петров. — В 1951 г. была открыта новая частица, обладающая свойствами бариона, но отличающаяся от протона и нейтрона бóльшей массой и вдобавок обладающая некоторым новым квантовым числом, получившим название “странность”. Этому бариону дали имя “лямбда-гиперон” (Λ-гиперон). Два года спустя обнаружилось, что лямбда-гиперон может связываться с протонами и нейтронами, образуя легкие ядра и гиперядра, такие как гипертритий (состоит из протона, нейтрона и Λ-гиперона) или гипергелий (включает протон, два нейтрона и Λ-гиперон). Эти открытия положили начало новому направлению в ядерной физике, позволяя изучать ранее не исследованный тип взаимодействий — между нуклонами и гиперонами».
Во время работы на RHIC ученые определяли присутствие антигиперводорода-4 в ускорителе по продуктам его распада: антигелию-4 и π+ -мезону. Перед физиками стояла непростая задача — отследить траектории всех частиц этих двух видов и выделить из них единичные случаи, соответствующие разложению гиперядра: когда антигелий-4 и π+ -мезон «вылетали» из одной точки на достаточном расстоянии от места столкновения ионов. Учитывая, что во время эксперимента в коллайдере возникало огромное количество частиц, на каждый антигелий-4 могло приходиться до тысячи π+ -мезонов!
В результате скрупулезного анализа ученые выделили 22 события, потенциально соответствующие распаду антигиперводорода-4. Согласно оценкам, фоновый счет («ложные» сигналы, вызываемые не присутствием реальных частиц, а «фоновым шумом») во время испытаний составил 6,4. Это позволило исследователям заключить, что им удалось обнаружить около 16 гиперядер антиматерии нового типа.
Проведя дополнительное исследование, физики сравнили время жизни антигиперводорода-4 и его «двойника» из материи — гиперводорода-4 — и не обнаружили существенных различий. Аналогичный результат дало сопоставление этого показателя у другой пары гиперядер-«двойников» — гипертрития и антигипертрития. Это стало еще одним важным подтверждением симметрии вещества и антивещества.
Следующий шаг, запланированный исследователями, — оценка различий между массой частиц и соответствующих им античастиц, которая позволит получить новые знания о симметрии материи и антиматерии.
«Масса частиц в подобных экспериментах определяется по известным энергиям и импульсам продуктов распада, — пояснил Владимир Алексеевич Петров. — С точки зрения теории это не очень трудно, однако достаточно точно измерить характеристики данных продуктов на практике — крайне сложная задача. В основе самих вычислений лежит знаменитая формула E=mc2».
С чего начинались исследования антиматерии и что известно науке об «антимире» на сегодняшний день? В.А. Петров провел для нас небольшой экскурс в историю изучения антивещества.
«В 1928 г. еще один основатель квантовой механики и будущий нобелевский лауреат Пол Дирак открыл релятивистское уравнение для описания волновой функции электрона, — рассказал профессор. — Оказалось, что это уравнение содержит и описание положительно заряженной частицы, в остальном идентичной электрону. Длительные дебаты о смысле второго решения завершились с открытием Карлом Андерсоном в 1932 г. “положительного электрона” (современное название — позитрон). С тех пор в физике частиц стало непреложным фактом наличие у каждой частицы партнера — “античастицы”, отличающейся от нее только знаком, зарядом и, возможно, другим квантовым числом. В ряде случаев — например, если речь идет о фотоне — частица идентична своей античастице».
Последующие фундаментальные открытия не заставили себя долго ждать.
«В 1955 г. Эмилио Джино Сегре и Оуэном Чемберленом был открыт первый антибарион — антипротон, год спустя Брюсом Корком — антинейтрон, и, наконец, в 1965 г. Леоном Максом Ледерманом — первое антиядро — антидейтерий (состоящий из антипротона и антинейтрона). Эти открытия были сделаны в США, — продолжил Владимир Алексеевич Петров. — Следующий шаг сделали в 1970 г. советские ученые под руководством академика Юрия Дмитриевича Прокошкина: на самом мощном для той эпохи ускорителе в Протвино под Москвой были обнаружены ядра антигелия-3 (два антипротона и антинейтрон), а затем — ядра антитрития (антипротон и два антинейтрона). Далее настала пора и гиперядер: ученые открыли антигиперядра с одним анти-лямбда-гипероном и двумя антибарионами.
И, наконец, в конце 2023 г., был объявлен новый результат: в эксперименте STAR на коллайдере релятивистских тяжелых ионов RHIC было обнаружено гиперядро антигиперводорода-4, состоящее из анти-лямбда-гиперона, антипротона и двух антинейтронов».
В заключение В.А. Петров поделился размышлениями о взаимодействии материи и антиматерии. Могут ли «столкнуться» мир и «антимир» в результате экспериментов?
«Тема “антимира” настолько интересная, что даже вдохновила известного поэта Андрея Вознесенского дать такое название своему (впрочем, довольно ерническому) стихотворению “Антимиры”, — отметил исследователь. — Здесь есть большой простор для фантазии. Представим, что вдруг во Вселенной окажется равное количество материи и антиматерии… К счастью, а, может, и к сожалению, антивещество — “штучный товар”, и в обсуждаемом эксперименте в среднем наблюдалось всего около 15 ядер антигиперводорода. Так что речь о создании антимира, который вдруг проаннигилирует с нами, здесь не идет. При этом необходимо еще раз подчеркнуть, что данное открытие — новый и бесценный вклад в наше понимание ядерных сил и их роли во Вселенной».
Источники
Nature. STAR Collaboration. Observation of the antimatter hypernucleus antihyperhydrogen-4
ScienceDaily. DOE/Brookhaven National Laboratory. New heaviest exotic antimatter nucleus
Chinese Academy of Sciences. Liu Fang, Liu Jia. Physicists Discover Heaviest Antimatter Hypernucleus to Date
Источник изображения на превью и главной странице: sakkmesterke / фотобанк 123RF.
Фото в тексте: Николай Малахин / «Научная Россия».