Проанализировав шесть миллиардов столкновений частиц на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), ученые обнаружили шестнадцать частиц антигиперводорода-4, самые тяжелые ядра антиматерии из когда-либо обнаруженных. Несмотря на то что у
них нет существенных отличий от обычных собратьев — кроме противоположных зарядов, — дальнейшие исследования могут помочь объяснить загадку асимметрии материи и антиматерии.
Стандартная модель космологии гласит, что после Большого взрыва ранняя Вселенная представляла собой «первобытный суп» плазмы из частиц материи и антиматерии. Предположение о существовании антиматерии впервые появилось в 1928 году благодаря британскому физику Полу Дираку, который выдвинул идею о том, что существуют антиэлектроны с зарядом противоположным электронам.
С тех пор физики обнаружили зеркальные эквиваленты фундаментальных частиц, называемые античастицами. Материя и антиматерия, предположительно, образовались в равных количествах во время Большого взрыва и обладают подобными (или почти одинаковыми) свойствами. Наши знания о физике материи и антиматерии показывают, что, за исключением противоположных электрических зарядов, антиматерия имеет те же свойства, что и материя: такую же массу, такое же время жизни до распада и такие же взаимодействия. «— утверждает Цзюньлинь Ву из Университета Ланьчжоу и Института современной физики, — говорится в пресс-релизе Брукхейвенской национальной лаборатории.
Это должно было помешать возникновению стабильной Вселенной, в которой мы существуем сейчас. Из-за противоположных зарядов частицы материи и антиматерии должны были бы уничтожаться при столкновении. Однако странный дисбаланс позволил Вселенной избежать самоликвидации. В результате образовалась материальная Вселенная.
В течение многих лет физики стремятся выяснить причину этого дисбаланса. Вопрос о причинах господства материи в нашей Вселенной пока что не получил ответа. — рассказывает Ву. В рамках сотрудничества STAR (Соленоидный трекер при РИК) — одного из четырех экспериментов РИК — Ву и соратники провели новый эксперимент, направленный на создание антиматерии для потенциального исследования этого дисбаланса. Для изучения асимметрии материи и антиматерии нужно открыть новые частицы антиматерии. », — объясняет Хао Цю, физик STAR.
Продукты распада материи из-за столкновений
Эксперимент STAR ускоряет тяжелые ионы до скорости, близкой к скорости света. Такое ускорение стирает границы между протонами и нейтронами, создавая плазменный «суп» из свободных кварков и глюонов. Выделяемая при этом энергия ненадолго воспроизводит условия ранней Вселенной после Большого взрыва и порождает новые частицы.
В результате столкновения тяжелых ионов образуется сотни и даже тысячи новых частиц, в основном пионы – легкие мезоны, существующие непродолжительное время. Возможно также появление редких античастиц. Анализ свойств создаваемых материи и антиматерии может помочь понять асимметрию, которая привела к преобладанию первых во Вселенной.
В новом эксперименте, описанном в журнале Ученые STAR пытаются обнаружить антигиперводород-4 — тяжелую частицу антивещества из антипротона, двух антинейтронов и антигиперона (бариона с S-кварком). Для обнаружения антигиперводорода-4 четыре компонента должны быть выпущены кварк-глюонным супом, возникающим при столкновениях RHIC, в нужном месте, направлении и время, чтобы собраться во временно связанное состояние.
«Случайно эти четыре составных частицы из столкновений в RHIC выходят достаточно близко друг к другу, чтобы соединиться и образоваться в антигиперядро. — Объясняет Лицзюань Руан из лаборатории Брукхейвен, один из авторов исследования.
В детекторе STAR во время столкновений частицы пролетают сквозь перегородку с газом, ограниченную магнитным полем, оставляя заметные следы своего движения. Измеряя эти следы и изменение их траектории под воздействием поля, можно определить природу частиц. Материя и антиматерия обладают противоположными зарядами, поэтому траектории составляющих их частиц отклоняются в разные стороны при прохождении магнитного поля.
Зарегистрировано 16 частиц антивещества при 6 миллиардах взаимодействий.
В поисках антигиперводород-4 исследователи проанализировали остатки частиц, созданных за счет 6 миллиардов столкновений. Иными словами, изучались остатки частиц, образовавшихся при распаде антигиперядра. Главное было обнаружить точки пересечения двух следов частиц, или пики распада, обладающие особыми свойствами. », — говорит Руан.
Избавившись от шумов, вызванных столкновениями пионов и не соответствующих характеристикам антигиперядер, исследователи обнаружили 22 события-кандидата с расчетным числом фонов 6,4. Это указывает на то, что около 6 из этих частиц, вероятно, являются шумами от пионов, а остальные 16 соответствуют антигиперяу-4 с высокой степенью достоверности.
Полученные результаты достаточно точны для прямого сравнения вещества и антивещества. В ходе сравнения продолжительности жизни антигиперводорода-4 и гиперводорода-4 учёные не обнаружили никаких признаков дисбаланса. Такой результат предсказываем, поскольку нарушение симметрии в соотношении вещество/антивещество крайне редкое явление. Следующим этапом станет измерение разницы в массе между этими частицами.