Новое антигиперядро, самое массивное из известных, было обнаружено международной командой исследователей. Исследование антигиперядер и их характеристик помогает физикам приблизиться к пониманию дисбаланса между материей и антиматерией в космосе.
Столкновения тяжелых ионов на Большом адронном коллайдере (БАК) приводят к образованию кварк-глюонной плазмы – плотного и чрезвычайно горячего состояния вещества. Кварк-глюонная плазма температурой 10 триллионов градусов Цельсия была создана на БАК в 2015 году. По мнению исследователей, Вселенная на момент, спустя миллионную долю секунды после Большого взрыва, была заполнена веществом, подобным этой плазме.
В процессе столкновений частиц на Большом адронном коллайдере возникают условия для формирования атомных ядер, необычных гиперядер и их античастиц — антиядер и антигиперядер. Помимо нейтронов и протонов, в состав гиперядер входит еще одна фундаментальная частица — гиперон.
Изучение данных форм материи имеет существенное значение для развития физики. Исследование экстремальных условий позволяет ученым точнее понимают процессы формирования адронов из кварков и глюонов в плазме, а также асимметрии материи и антиматерии, наблюдаемой во Вселенной сегодня.
До недавнего времени, при столкновениях тяжелых ионов, фиксировались только самые легкие гиперядерные ядра: гипертритон и гиперводород. Античастицу гипертритона идентифицировали в 2010 году, а антигиперводород-4 – впервые в 2024 году. Антигиперводород-4 включает в себя антипротон, два антинейтрона и анти-лямбда-гиперон.
Теперь ученые предоставили подтверждения существования антигипергелия-4. Информация была получена в ходе эксперимента ALICE (A Large Ion Collider Experiment, детектор столкновений тяжелых ионов (ALICE), входит в число восьми ключевых детекторов Большого адронного коллайдера. Экзотическое ядро состоит из двух антипротонов, антинейтрона и анти-лямбда-гиперона.
Статистическая значимость результата составляет 3,5 стандартных отклонения, что подтверждает уверенность ученых в существовании антигипергелия-4. Данное экзотическое ядро является самым тяжелым антиматериальным гиперядерным ядром, обнаруженным экспериментально на Большом адронном коллайдере. Результаты эксперимента описаны в статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv.
Измерения ALICE собраны при столкновении свинцовых ядер в 2018 году при энергии 5,02 тераэлектронвольта на сталкивающуюся пару частиц. Исследователи искали сигналы гиперводорода-4, гипергелия-4 и их антиматериальных партнеров в огромном количестве данных с помощью специально разработанного алгоритма машинного обучения.
Кандидаты в антигиперводород-4 были определены по распаду на ядро антигелия-4 и заряженный пион, а кандидаты в антигипергелий-4 – по распаду на ядро антигелия-3, антипротон и заряженный пион.
Помимо выявления экзотических ядер, группа ученых ALICE измерила количество и массы обоих гиперядер. Массы согласуются с остальными экспериментами физиков по всему миру. Полученные результаты сопоставили с расчетами статистической модели адронизации, которая хорошо описывает процесс образования адронов и ядер в столкновениях тяжелых ионов, и модель хорошо согласуется с экспериментальными данными. Размер гиперядер — около двух фемтометров (2⋅10⁻¹⁵ метров).
Для обоих гиперядер наблюдается равное количество античастиц и частиц, что свидетельствует о том, что материя и антиматерия образовались в равной степени в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере. Современная физика высоких энергий пока не может объяснить дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной, но каждый эксперимент приближает ученых к объяснению асимметрии материи.