Ученые, работающие на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории, совершили прорыв в изучении антиматерии. После анализа результатов более шести миллиардов столкновений атомных ядер, исследователи обнаружили новый тип ядра антиматерии, который является самым трудным из всех известных в настоящее время. Этот экзотический антиядро, известный как антигиперводород-4, состоит из четырех частиц антиматерии: антипротона, двух антинейтронов и одного антигиперона.
Исследование проведено группой STAR, использующей детектор частиц для расшифровки результатов столкновений. Ученые опубликовали свои находки в престижном журнале Nature. Как отмечает Джоан Дж. Сото-Анж, один из авторов исследования, эти экзотические частицы открывают новые возможности для исследования различий между материей и антиматерией.
«На данный момент наши знания свидетельствуют о том, что антиматерия обладает теми же свойствами, что и материя, за исключением знака электрического заряда. Антиматерия имеет такую же массу, продолжительность жизни и взаимодействия, как ее материальная противоположность», — пояснил Цзюньлинь У, аспирант Объединенного факультета ядерной физики Университета Ланьчжоу и Института современной физики в Китае.
Вопрос о том, почему наша Вселенная состоит преимущественно из материи, а не из антиматерии, остается одной из величайших загадок современной науки. И хотя считается, что материя и антиматерия были созданы в равных количествах во время Большого взрыва, в настоящее время доминирует только материя.
RHIC является идеальным местом для исследования антиматерии благодаря своей способности создавать экстремальные условия, похожие на существовавшие в ранней Вселенной. При столкновениях тяжелых ионов, расплавляющих протоны и нейтроны в состав кварков и глюонов, учёные получают огромное количество новых частиц. Это позволяет создавать материю и антиматерию в почти равных количествах.
Изучение характеристик этих частиц может помочь в разгадке асимметрии, обусловившей преимущество материи антиматерии. Один из ключевых шагов в этом процессе – выявление новых частиц антиматерии. «Обнаружение новых частиц антиматерии помогает нам лучше понять природу этой асимметрии», — отметил Хао Цю, научный руководитель проекта.
Ранее команда STAR обнаружила разные типы антиматерии. В 2010 году они обнаружили антигипертритон, первое ядро антиматерии, содержащее гиперон – частицу со «странным» кварком. В 2011 году был открыт антигелий-4, эквивалент ядра гелия. Теперь, благодаря новому открытию антигиперводорода-4, у ученых есть возможность исследовать еще более сложные вопросы.
Процесс обнаружения антигиперводорода-4 был чрезвычайно сложным. Ученые наблюдали распад этого нестабильного антигиперядра на более простые частицы: антигелий-4 и положительно заряженный пион (pi+). Учитывая многочисленность событий, возникающих при столкновениях, физики тщательно анализировали треки частиц, чтобы выявить соответствующие специфическим критериям распада.
Для достижения результатов команда STAR использовала методы статистического анализа, чтобы отфильтровать шум и выделить реальные сигналы. В результате они обнаружили 22 потенциальных события, из которых около 16 были подтверждены как настоящие антигиперводные-4. Это достижение позволило провести прямое сравнение свойств материи и антиматерии.
Ученые провели сравнение времени жизни антигиперводорода-4 и гиперводорода-4, а также антигипертритона и гипертритона. Ни одна из пар не показала существенных отличий, что подтвердило существующие модели симметрии. «Обнаружение отсутствия нарушений в симметрии подтверждает точность наших моделей и является значительным достижением в исследовании антиматерии», — подытожила Эмили Дакворт, работавшая над компьютерным кодом для анализа данных. Это исследование является важным шагом вперед в понимании фундаментальных аспектов физики материи и антиматерии.