Zderzenia ciężkich jonów w Wielkim Zderzaczu Hadronów generują warunki sprzyjające powstawaniu hiperjąder i ich wersji antymaterii, zapewniając wgląd we wczesny Wszechświat.
Niedawne wykrycie antyhiperhelu-4 potwierdziło statystyczne modele hadronizacji, poszerzając wiedzę w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych.
Tworzenie plazmy kwarkowo-gluonowej i hiperjąder
Zderzenia ciężkich jonów w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) powodują powstanie kwarku-gluonu osoczeniezwykle gorącą i gęstą formę materii, która istniała zaledwie jedną milionową sekundy po Wielki Wybuch. Zderzenia te stwarzają również idealne warunki do powstawania jąder atomowych i egzotycznych hiperjąder, wraz z ich odpowiednikami z antymaterii, antyjądrami i antyhiperjądrami. Badanie tych cząstek pomaga naukowcom lepiej zrozumieć, w jaki sposób hadrony powstają z kwarków i gluonów, a także zapewnia wgląd we współczesną asymetrię materii i antymaterii we Wszechświecie.
Hiperjądra to egzotyczne jądra atomowe zbudowane z protonów, neutronów i hiperonów – niestabilnych cząstek zawierających co najmniej jeden dziwny kwark. Chociaż hiperjądra wykryto po raz pierwszy w promieniowaniu kosmicznym ponad 70 lat temu, nadal intrygują fizyków ze względu na ich rzadkość w przyrodzie oraz trudności w ich wytwarzaniu i badaniu w warunkach laboratoryjnych.
Najnowsze postępy w obserwacjach przeciwhiperjądrowych
W zderzeniach ciężkich jonów powstają hiperjądra w znacznych ilościach, ale do niedawna tylko najlżejsze hiperjądra, hipertrytoni jego partner z antymaterii, antyhipertrytonzaobserwowano. Hipertryton składa się z protonu, neutronu i lambdy (hiperonu zawierającego jeden dziwny kwark). Antyhipertryton składa się z antyprotonu, antyneutronu i antylambdy.
Podążając gorąco po piętach obserwacja antyhiperwodoru-4 (stan związany antyprotonu, dwóch antyneutronów i antylambdy), zgłoszony na początku tego roku w ramach współpracy STAR w Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), współpraca ALICE w LHC była obecnie pierwszym w historii dowód antyhyperhelium-4, który składa się z dwóch antyprotonów, antyneutronu i antylambdy. Wynik ma istotność 3,5 odchylenia standardowe i stanowi także pierwszy dowód na istnienie najcięższego hiperjądra antymaterii w LHC.
Przełomy w wykrywaniu antyhiperhelium-4
Pomiar ALICE opiera się na danych dotyczących zderzeń ołów-ołów zebranych w 2018 r. przy energii 5,02 teraelektronowoltów (TeV) na każdą zderzającą się parę nukleonów (protony i neutrony). Korzystając z techniki uczenia maszynowego, która przewyższa konwencjonalne techniki wyszukiwania hiperjąder, badacze z ALICE sprawdzili dane pod kątem sygnałów hiperwodoru-4, hiperhelu-4 i ich partnerów w antymaterii. Kandydatów na (anty)hiperwodór-4 zidentyfikowano, szukając jądra (anty)helu-4 i naładowanego pionu, na który on się rozpada, natomiast kandydatów na (anty)hiperhel-4 zidentyfikowano na podstawie jego rozpadu na (anty)hel -3 jądro, (anty)proton i naładowany pion.
Oprócz znalezienia dowodów na obecność antyhiperhelu-4 o istotności 3,5 odchylenia standardowego, a także dowodów na obecność antyhiperhelium-4 o istotności 4,5 odchylenia standardowego, zespół ALICE zmierzył wydajność produkcji i masę obu hiperjąder.
Potwierdzanie modeli wytwarzania hiperjąder
Dla obu hiperjąder zmierzone masy są zgodne z prądem wartości średnie światowe. Zmierzone wydajności produkcyjne porównano z przewidywaniami statystycznego modelu hadronizacji, który zapewnia dobry opis powstawania hadronów i jąder w zderzeniach ciężkich jonów. Porównanie to pokazuje, że przewidywania modelu są ściśle zgodne z danymi, jeśli przewidywania uwzględnią zarówno wzbudzone stany hiperjądrowe, jak i stany podstawowe. Wyniki potwierdzają, że statystyczny model hadronizacji może również dobrze opisać powstawanie hiperjąder, czyli zwartych obiektów o rozmiarach około 2 femtometrów (1 femtometr to 10-15 metrów).
Naukowcy określili także stosunki wydajności antycząstek do cząstek dla obu hiperjąder i odkryli, że zgadzają się one z jednością w ramach niepewności eksperymentalnych. Niniejsza umowa jest zgodna z Obserwacja ALICJI równej produkcji materii i antymaterii w energiach LHC i stanowi wkład w trwające badania nad brakiem równowagi między materią a antymaterią we Wszechświecie.
