Международная группа физиков зарегистрировала образование самых массивных антиатомов, когда-либо наблюдаемых. Изучение частоты их возникновения и характеристик может способствовать поиску темной материи в отдаленных областях космоса.
В 1928 году британский физик-теоретик Поль Дирак предложил теорию, которая хорошо соответствовала реальным явлениям и экспериментальным данным. Однако она предполагала наличие электронов с отрицательной энергией, что ставило под сомнение возможность существования стабильной Вселенной, основанной на существующих представлениях.
Предложенная альтернатива для объяснения «состояний с отрицательной энергией» связана с антиматерией, в частности, с антиэлектронами, являющимися частицами, идентичными электронам, но обладающими противоположным электрическим зарядом. Антиэлектроны были впервые обнаружены в 1932 году, и впоследствии физики подтвердили существование античастиц для всех фундаментальных частиц.
Поскольку антиэлектроны, антипротоны и антинейтроны способны формировать антиатомы, логично предположить наличие антипланет и антигалактик. В соответствии с теорией Большого взрыва, изначально во Вселенной существовало одинаковое количество материи и антиматерии. Однако на протяжении почти столетия ученые фиксируют преобладание материи, что не соответствует теоретическим предсказаниям.
Результаты исследований на установке STAR (Solenoidal Tracker at RHIC, соленоидный трекер коллайдера RHIC), являющегося одним из регулярных экспериментов на коллайдере релятивистских тяжелых ионов RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, помогут уточнить связанные с антиматерией физические теории.
В ходе экспериментов тяжелые атомы разгоняют до высоких скоростей. Это позволяет воссоздать условия, схожие с теми, что существовали в первые миллисекунды после Большого взрыва, и изучить возникающие при этом явления. Каждое столкновение порождает сотни новых, нестабильных частиц, включая пионы, и STAR может зафиксировать их все. В детекторе STAR частицы проходят через заполненный газом контейнер, помещенный в магнитное поле. Они оставляют в этой среде «следы»-треки, «толщину» и степень изгиба которых измеряют и анализируют ученые. Так определяют тип частицы, прошедшей через область наблюдения, и ее физические свойства.
Ядра атомов в природе формируются из протонов и нейтронов. Ученые могут создавать «гиперядро» в лабораторных условиях, заменив один из нейтронов на гиперон — более массивную частицу, аналогичную нейтрону. То, что зафиксировали в эксперименте STAR, — обнаруженное ядро антиматерии представляет собой антигиперядро, состоящее из антиматерии. Оно является самым массивным и необычным ядром антиматерии, когда-либо зафиксированным.
Оно включает в себя два антинейтрона, один антипротон и антигиперон. Ядро носит название «антигиперводород-4». В ходе многолетних экспериментов с пионами было зарегистрировано всего 16 ядер антигиперводорода-4 среди миллиардов полученных данных. Согласно современным физическим теориям, образование более тяжелых антигиперядер должно быть еще менее вероятным. Сравнительный анализ гиперядер и их антиматериальных двойников выявил идентичность периодов жизни и масс – что соответствует прогнозам, основанным на теории Дирака. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.
Антиматерия имеет связь с темной материей. Данные наблюдений свидетельствуют о том, что темной материи в пять раз больше, чем обычной, однако мы не можем обнаружить ее напрямую и используем косвенные данные. Некоторые теории, объясняющие природу темной материи, предполагают, что при взаимодействии двух частиц темной материи происходит их аннигиляция, сопровождающаяся выбросом энергии в виде материи и антиматерии. Это может привести к образованию антигелия, за которым следит эксперимент Alpha Magnetic Spectrometer на борту Международной космической станции.
Данные эксперимента STAR помогут откалибровать теоретические модели, чтобы понять, сколько антиматерии производится при столкновении обычной материи.