Naukowcy badający ślady cząstek płynących z sześciu miliardów zderzeń jąder atomowych w Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – „rozbijaczu atomów”, który odtwarza warunki wczesnego wszechświata – odkryli nowy rodzaj jądra antymaterii, najcięższego, jaki kiedykolwiek wykryto. Składające się z czterech cząstek antymaterii – antyprotonu, dwóch antyneutronów i jednego antyhiperonu – te egzotyczne antyjądra są znane jako antyhiperwodór-4.
Członkowie STAR Collaboration RHIC dokonali odkrycia, wykorzystując detektor cząstek wielkości domu do analizy szczegółów szczątków zderzenia. Przedstawiają swoje wyniki w czasopiśmie Nature i wyjaśniają, w jaki sposób wykorzystali już te egzotyczne antycząstki do poszukiwania różnic między materią i antymaterią.
„Nasza wiedza fizyczna na temat materii i antymaterii jest taka, że poza przeciwnymi ładunkami elektrycznymi, antymateria ma takie same właściwości jak materia – taką samą masę, taki sam czas życia przed rozpadem i takie same oddziaływania” – powiedział Junlin Wu, współpracownik STAR, student studiów podyplomowych na Wydziale Fizyki Jądrowej Uniwersytetu Lanzhou i Instytutu Fizyki Nowoczesnej w Chinach. Ale rzeczywistość jest taka, że nasz wszechświat składa się z materii, a nie antymaterii, chociaż uważa się, że obie powstały w równych ilościach w czasie Wielkiego Wybuchu około 14 miliardów lat temu.
„Dlaczego nasz wszechświat jest zdominowany przez materię, to wciąż pytanie, na które nie znamy pełnej odpowiedzi” – powiedział Wu.
RHIC, ośrodek badawczy US Department of Energy (DOE) Office of Science do badań fizyki jądrowej w Brookhaven National Laboratory w DOE, jest dobrym miejscem do badania antymaterii. Jego zderzenia ciężkich jonów — jąder atomowych, które zostały pozbawione elektronów i przyspieszone do prędkości bliskiej prędkości światła — topią granice poszczególnych protonów i neutronów jonów. Energia zdeponowana w powstałej zupie swobodnych kwarków i gluonów, najbardziej podstawowych elementów budulcowych widocznej materii, generuje tysiące nowych cząstek. I podobnie jak wczesny wszechświat, RHIC wytwarza materię i antymaterię w niemal równych ilościach. Porównanie cech cząstek materii i antymaterii generowanych w tych zderzeniach cząstek może dać wskazówki co do pewnej asymetrii, która przechyliła szalę na korzyść istnienia materii we współczesnym świecie.
Wykrywanie ciężkiej antymaterii
„Aby zbadać asymetrię materia-antymateria, pierwszym krokiem jest odkrycie nowych cząstek antymaterii” — powiedział fizyk STAR Hao Qiu, doradca Wu w IMP. „To podstawowa logika stojąca za tym badaniem”.
Fizycy STAR wcześniej obserwowali jądra zbudowane z antymaterii, które powstały w zderzeniach RHIC. W 2010 roku wykryli antyhipertryton. Był to pierwszy przypadek jądra antymaterii zawierającego hiperon, czyli cząstkę zawierającą co najmniej jeden „dziwny” kwark, a nie tylko lżejsze kwarki „górny” i „dolny”, z których zbudowane są zwykłe protony i neutrony. Następnie, zaledwie rok później, fizycy STAR pobili ten ciężki rekord antymaterii, wykrywając antymaterialny odpowiednik jądra helu: antyhel-4.
Bardziej współczesna analiza sugeruje, że antyhiperwodór-4 może być również w zasięgu ręki. Jednak wykrycie tego niestabilnego antyhiperjądra — gdzie dodanie antyhiperonu (konkretnie cząstki antylambda) zamiast jednego z protonów w antyhelu ponownie wyprzedziłoby rekordzistę wagi ciężkiej — byłoby rzadkim wydarzeniem. Wymagałoby to, aby wszystkie cztery składniki — jeden antyproton, dwa antyneutrony i jeden antylambda — zostały wyemitowane z zupy kwarkowo-gluonowej generowanej w zderzeniach RHIC w odpowiednim miejscu, skierowane w tym samym kierunku i we właściwym czasie, aby zlepić się w tymczasowo związany stan.
„To tylko przypadek, że te cztery cząstki składowe powstają w wyniku zderzeń RHIC na tyle blisko siebie, że mogą się połączyć i utworzyć antyhiperjądro” — powiedział fizyk z Brookhaven Lab, Lijuan Ruan, jeden z dwóch współrzeczników współpracy STAR.
Igła w stosie „pi”
Aby znaleźć antyhiperwodór-4, fizycy STAR przyjrzeli się śladom cząstek, na które rozpada się ten niestabilny antyhiperjądro. Jednym z tych produktów rozpadu jest wcześniej wykryte jądro antyhelu-4; drugim jest prosta dodatnio naładowana cząstka zwana pionem (pi+).
„Ponieważ antyhel-4 został już odkryty w STAR, zastosowaliśmy tę samą metodę, której użyliśmy wcześniej, aby wychwycić te zdarzenia, a następnie zrekonstruowaliśmy je za pomocą śladów pi+, aby znaleźć te cząstki” – powiedział Wu.
Przez rekonstrukcję rozumie on odtworzenie trajektorii cząstek antyhelu-4 i pi+, aby sprawdzić, czy wyłoniły się z jednego punktu. Ale zderzenia RHIC produkują wiele pionów. A aby znaleźć rzadkie antyhiperjądra, naukowcy przeszukiwali miliardy zdarzeń kolizyjnych! Każde antyhelu-4 wyłonione ze zderzenia można sparować z setkami, a nawet 1000 cząstek pi+.
„Kluczem było znalezienie tych, w których dwa ślady cząstek mają punkt przecięcia, czyli wierzchołek rozpadu, o szczególnych cechach” – powiedział Ruan. To znaczy, wierzchołek rozpadu musi być wystarczająco daleko od punktu zderzenia, aby dwie cząstki mogły pochodzić z rozpadu antyhiperjądra utworzonego tuż po zderzeniu z cząstek początkowo wygenerowanych w kuli ognia.
Zespół STAR ciężko pracował, aby wykluczyć tło wszystkich innych potencjalnych partnerów par rozpadu. Ostatecznie ich analiza ujawniła 22 zdarzenia kandydujące z szacowanym tłem 6,4.
„Oznacza to, że około sześć z tych, które wyglądają jak rozpady antyhiperwodoru-4, może być po prostu przypadkowym szumem” — powiedziała Emilie Duckworth, doktorantka na Uniwersytecie Stanowym Kent, której zadaniem było zadbanie o to, aby kod komputerowy używany do przeszukiwania wszystkich tych zdarzeń i wybierania sygnałów został napisany poprawnie.
Odejmując to tło od 22, fizycy są pewni, że wykryli około 16 rzeczywistych jąder antyhiperwodoru-4.
Porównanie materii i antymaterii
Wynik okazał się na tyle znaczący, że zespół STAR mógł przeprowadzić bezpośrednie porównania materii i antymaterii.
Porównali czas życia antyhiperwodoru-4 z czasem życia hiperwodoru-4, który składa się ze zwykłych odmian materii tych samych bloków budulcowych. Porównali również czasy życia innej pary materia-antymateria: antyhipertrytonu i hipertrytonu.
W żadnym z przypadków nie zaobserwowano znaczącej różnicy, co nie zaskoczyło naukowców.
Eksperymenty, jak wyjaśnili, były testem szczególnie silnej formy symetrii. Fizycy generalnie zgadzają się, że naruszenie tej symetrii byłoby niezwykle rzadkie i nie będzie odpowiedzią na nierównowagę materii i antymaterii we wszechświecie.
„Gdybyśmy byli świadkami naruszenia [this particular] „Gdybyśmy nie mieli symetrii, musielibyśmy wyrzucić przez okno sporą część naszej wiedzy o fizyce” – powiedział Duckworth.
Więc w tym przypadku było to w pewnym sensie pocieszające, że symetria nadal działa. Zespół zgodził się, że wyniki dodatkowo potwierdzają, że modele fizyków są poprawne i są „wielkim krokiem naprzód w eksperymentalnych badaniach nad antymaterią”.
Następnym krokiem będzie zmierzenie różnicy mas między cząstkami i antycząstkami. Zajmuje się tym Duckworth, która w 2022 r. została wybrana do otrzymania dofinansowania z programu badań naukowych dla studentów studiów podyplomowych DOE Office of Science.
Prace te były wspierane przez DOE Office of Science, US National Science Foundation i szereg międzynarodowych agencji i organizacji wymienionych w artykule naukowym. Naukowcy wykorzystali zasoby obliczeniowe w Scientific Data and Computing Center w Brookhaven Lab, National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) w Lawrence Berkeley National Laboratory w DOE oraz konsorcjum Open Science Grid. NERSC to kolejna placówka użytkownika DOE Office of Science.