Проанализировав 6 миллиардов столкновений частиц на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), ученые обнаружили 16 частиц антигиперводорода-4, самых тяжелых ядер антиматерии из когда-либо обнаруженных. Несмотря на то, что они не имеют существенных отличий от своих обычных собратьев — кроме противоположных зарядов, — дальнейшие исследования могут помочь объяснить загадку асимметрии материи и антиматерии.
Согласно Стандартной модели космологии, вскоре после Большого взрыва ранняя Вселенная состояла из «первобытного супа» плазмы, содержащей частицы материи и антиматерии. Впервые антиматерия была теоретизирована в 1928 году, когда британский физик Поль Дирак предположил существование антиэлектронов, которые имеют противоположный заряд, чем электроны.
С тех пор физики обнаружили, что все фундаментальные частицы имеют зеркальные эквиваленты, называемые «античастицами». Считается, что материя и антиматерия были созданы в эквивалентных количествах во время Большого взрыва и обладают схожими (или почти схожими) свойствами. «Наши знания о физике материи и антиматерии показывают, что, за исключением того, что они имеют противоположные электрические заряды, антиматерия обладает теми же свойствами, что и материя: той же массой, тем же временем жизни до распада и теми же взаимодействиями», — объясняет Цзюньлинь Ву из Университета Ланьчжоу и Института современной физики в Китае в пресс-релизе Брукхейвенской национальной лаборатории.
Однако это должно было сделать невозможным существование стабильной Вселенной, в которой мы сейчас существуем. Учитывая противоположные заряды, частицы материи и антиматерии должны были бы технически аннигилировать друг с другом при контакте. Однако загадочный дисбаланс позволил Вселенной избежать самоуничтожения. В результате образовалась Вселенная, в которой преобладает материя.
Физики уже несколько десятилетий ищут причину этого дисбаланса. «Вопрос о том, почему в нашей Вселенной преобладает материя, остается открытым. Мы не знаем ответа», — говорит Ву. В рамках коллаборации STAR (Solenoidal Tracker at RHIC) — одного из четырех экспериментов RHIC — Ву и его коллеги провели новый эксперимент, направленный на создание антиматерии, чтобы потенциально исследовать этот дисбаланс. «Чтобы изучить асимметрию материи и антиматерии, первым шагом должно стать открытие новых частиц антиматерии», — объясняет Хао Цю, физик STAR.
Частицы антиматерии, случайно возникающие при столкновениях
Эксперимент STAR предполагает ускорение тяжелых ионов (атомных ядер, у которых удалены электроны) до скорости, близкой к скорости света. Это ускорение стирает границы между отдельными протонами и нейтронами, в результате чего возникает плазменный «суп» из свободных кварков и глюонов. Выделяющаяся при этом энергия ненадолго воспроизводит условия ранней Вселенной в первые миллисекунды после Большого взрыва и порождает новые частицы.
Каждое столкновение тяжелых ионов порождает сотни и даже тысячи новых частиц. Большинство этих частиц — «пионы» (самые легкие частицы из семейства мезонов), недолговечные, нестабильные элементы. Однако может появиться и несколько редких частиц антиматерии. Сравнение характеристик образующихся частиц материи и антиматерии может дать ключ к разгадке асимметрии, которая привела к преобладанию первых во Вселенной.
В новом эксперименте, описанном в журнале , ученые STAR пытались обнаружить антигиперводород-4, тяжелую частицу антивещества, состоящую из антипротона, двух антинейтронов и антигиперона (бариона, содержащего S-кварк). Чтобы ее можно было обнаружить, эти четыре компонента должны быть испущены кварк-глюонным супом, образующимся при столкновениях RHIC, в нужном месте, в том же направлении и в нужное время, чтобы они собрались вместе во временно связанном состоянии.
«Только по случайности эти четыре составные частицы выходят из RHIC-столкновений достаточно близко друг к другу, чтобы объединиться и образовать это антигиперядро», — объясняет Лицзюань Руан из лаборатории Брукхейвен, один из соавторов исследования.
Во время столкновений в детекторе STAR частицы проходят через перегородку, заполненную газом, заключенным в магнитное поле, и оставляют заметные следы своего прохождения. Измеряя эти следы и то, как изменяется их траектория под действием магнитного поля, можно определить их природу. Кроме того, поскольку материя и антиматерия имеют противоположные заряды, траектории составляющих их частиц под действием магнитного поля отклоняются в разные стороны.
Обнаружено 16 частиц антивещества в 6 миллиардах столкновений
Чтобы обнаружить антигиперводород-4, исследователи проанализировали следы частиц, образовавшихся в результате 6 миллиардов столкновений. Другими словами, они изучили следы частиц, образовавшихся при распаде антигиперядра. «Главное было найти те, где два следа частиц имеют точку пересечения, или пик распада, с особыми характеристиками», — говорит Руан.
Устранив все пионные шумы, возникающие при столкновениях и не соответствующие характеристикам антигиперядер, исследователи выявили 22 события-кандидата с расчетным числом фонов 6,4. Это означает, что около 6 из этих частиц, скорее всего, являются пионными шумами, а 16 с высокой степенью достоверности соответствуют антигиперяу-4.
Эти результаты были бы достаточно надежными, чтобы проводить прямые сравнения материи и антиматерии. Однако при сравнении продолжительности жизни антигиперводородов-4 и гиперводородов-4 исследователи не обнаружили никаких следов дисбаланса. Тем не менее, такие результаты были бы ожидаемы, поскольку нарушение симметрии в соотношении материи/антиматерии было бы крайне редким. Следующим шагом в исследовании будет измерение разницы в массе между этими частицами.