|
Обнаружено тяжелое экзотическое ядро антивещества
|
|
|
|
Ученые, изучающие следы частиц, образующихся в результате шести миллиардов столкновений атомных ядер на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) — "ускорителе атомов", который воссоздает условия ранней Вселенной, — обнаружили новый вид ядер антивещества, самый тяжелый из когда-либо обнаруженных. Состоящие из четырех частиц антивещества — антипротона, двух антинейтронов и одного антигиперона — эти экзотические антинуклеары известны как антигиперводород-4.
|
|
|
|
Участники коллаборации RHIC STAR сделали это открытие, используя свой детектор частиц размером с дом для анализа деталей столкновения обломков. Они сообщают о своих результатах в журнале Nature и объясняют, как они уже использовали эти экзотические античастицы для поиска различий между веществом и антивеществом.
|
|
|
|
"Наши физические знания о веществе и антивеществе заключаются в том, что, за исключением наличия противоположных электрических зарядов, антивещество обладает теми же свойствами, что и материя, — той же массой, тем же временем жизни до распада и теми же взаимодействиями", - сказал сотрудник STAR Цзюньлин Ву, аспирант объединенного факультета ядерной физики Университета и института Ланьчжоу. современной физики, Китай.
|
|
|
|
Но реальность такова, что наша Вселенная состоит из материи, а не из антивещества, хотя считается, что и то, и другое было создано в равных количествах во время Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад.
|
|
|
|
"Почему в нашей Вселенной преобладает материя, все еще остается вопросом, и мы не знаем полного ответа", - сказал Ву.
|
|
|
RHIC, центр научных исследований Министерства энергетики США (DOE), предназначенный для проведения исследований в области ядерной физики в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, является хорошим местом для изучения антивещества. При столкновении тяжелых ионов — атомных ядер, лишенных своих электронов и разогнанных почти до скорости света, — границы между отдельными протонами и нейтронами в ионах размываются.
|
|
|
|
Энергия, выделяемая в образовавшемся "бульоне" из свободных кварков и глюонов, наиболее фундаментальных строительных блоков видимой материи, порождает тысячи новых частиц. И, как и в ранней Вселенной, RHIC производит вещество и антивещество почти в равных количествах.
|
|
|
|
Сравнение характеристик частиц материи и антивещества, образующихся при столкновении этих частиц, может дать ключ к пониманию некоторой асимметрии, которая склоняет чашу весов в пользу существования материи в современном мире.
|
|
Обнаружение тяжелой антивещества
|
|
|
|
"Чтобы изучить асимметрию вещества и антивещества, первым шагом является открытие новых частиц антивещества", - сказал Хао Цю, физик-звездочет, советник Ву в IMP. "Такова основная логика этого исследования".
|
|
|
|
Физики, изучающие звезды, ранее наблюдали ядра, состоящие из антивещества, которые образуются при столкновениях RHIC. В 2010 году они обнаружили антигипертритон. Это был первый случай, когда ядро антивещества содержало гиперон, который представляет собой частицу, содержащую по крайней мере один "странный" кварк, а не просто более легкие "верхний" и "нижний" кварки, из которых состоят обычные протоны и нейтроны.
|
|
|
|
Затем, всего год спустя, физики из STAR побили этот рекорд, обнаружив антивещественный эквивалент ядра гелия - антигелий-4.
|
|
|
|
Более поздний анализ показал, что антигиперводород-4 также может быть в пределах досягаемости. Но обнаружение этого нестабильного антигипернуклеуса, в котором добавление антигиперона (в частности, антиламбда—частицы) вместо одного из протонов в антигелии позволило бы снова обойти рекордсмена в тяжелом весе, было бы редким событием.
|
|
|
|
Для этого потребовалось бы, чтобы все четыре компонента — один антипротон, два антинейтрона и один антиламбда — были выброшены из кварк-глюонного супа, образующегося при столкновениях RHIC, в нужном месте, двигались в одном направлении и в нужное время, чтобы объединиться во временно связанное состояние.
|
|
|
|
"Только случайно эти четыре составляющие частицы появились в результате столкновений RHIC достаточно близко друг к другу, чтобы они могли объединиться и сформировать это антигипернуклеус", - сказал физик из Брукхейвенской лаборатории Лиджуан Руан, один из двух представителей STAR Collaboration.
|
|
Игла в стопке "пи"
|
|
|
|
Чтобы найти антигиперводород-4, физики STAR изучили следы частиц, на которые распадается это нестабильное антигипернуклеус. Одним из таких продуктов распада является ранее обнаруженное ядро антигелия-4; другой - простая положительно заряженная частица, называемая пионом (pi+).
|
|
|
|
"Поскольку антигелий-4 уже был обнаружен в ЗВЕЗДЕ, мы использовали тот же метод, что и ранее, чтобы зафиксировать эти события, а затем реконструировали их с помощью треков pi+, чтобы найти эти частицы", - сказал Ву.
|
|
|
|
Под восстановлением он подразумевает отслеживание траекторий частиц антигелия-4 и pi+, чтобы увидеть, вышли ли они из одной точки. Но при столкновении RHIC образуется много пионов. Чтобы найти редкие гиперядра, ученые проанализировали миллиарды случаев столкновений! Каждый антигелий-4, возникающий в результате столкновения, может состоять из сотен или даже 1000 частиц pi+.
|
|
|
|
"Ключевым моментом было найти те, где две траектории частиц имеют точку пересечения, или вершину распада, с определенными характеристиками", - сказал Руан. То есть вершина распада должна находиться достаточно далеко от точки столкновения, чтобы две частицы могли возникнуть в результате распада антигипернуклеуса, образовавшегося сразу после столкновения из частиц, первоначально образовавшихся в огненном шаре.
|
|
|
|
Команда STAR упорно трудилась, чтобы исключить происхождение всех других потенциальных партнеров по распадающейся паре. В конце концов, их анализ выявил 22 события-кандидата с оценочным значением фона 6,4.
|
|
|
|
"Это означает, что около шести из них, которые выглядят как распады антигипергидрогена-4, могут быть просто случайным шумом", - сказала Эмили Дакворт, докторант Кентского государственного университета, чья роль заключалась в том, чтобы убедиться, что компьютерный код, используемый для анализа всех этих событий и выделения сигналов, был написан правильно.
|
|
|
|
Вычитание этого показателя из 22 дает физикам уверенность в том, что они обнаружили около 16 реальных ядер антигиперводорода-4.
|
|
Сравнение вещества и антивещества
|
|
|
|
Результат был достаточно значительным, чтобы команда STAR провела несколько прямых сравнений вещества и антивещества.
|
|
|
|
Они сравнили время жизни антигиперводорода-4 с временем жизни гипервод-4, который состоит из разновидностей обычной материи и тех же строительных блоков. Они также сравнили время жизни другой пары материя-антивещество: антигипертритона и гипертритонной частицы.
|
|
|
|
Ни один из них не показал существенной разницы, что не удивило ученых.
|
|
|
|
Эксперименты, как они объяснили, были проверкой особенно сильной формы симметрии. Физики в целом согласны с тем, что нарушение этой симметрии встречается крайне редко и не может объяснить дисбаланс вещества и антиматерии во Вселенной.
|
|
|
|
"Если бы мы увидели нарушение [этой конкретной] симметрии, нам, по сути, пришлось бы выбросить за борт многое из того, что мы знаем о физике", - сказал Дакворт.
|
|
|
|
Так что в данном случае было приятно осознавать, что симметрия все еще работает. Команда согласилась, что результаты еще раз подтвердили правильность моделей физиков и являются "большим шагом вперед в экспериментальных исследованиях антивещества".
|
|
|
|
Следующим шагом будет измерение разницы масс частиц и античастиц, которым занимается Дакворт.
|
|
|
|
Источник
|
