Пробив в науката: физиците откриха антихиперводород-4

Международен екип от физици от STAR Collaboration в Релативисткия колайдер на тежки йони (RHIC) в Националната лаборатория Брукхейвън направи пробив в разбирането на фундаменталните свойства на материята и антиматерията. Става дума за това, че учените за първи път успяха да наблюдават екзотично антиядро, което се състои от четири частици антиматерия – два антинеутрона, един антихиперон и един антипротон. Новият тип ядро беше наречен антихиперводород-4, а откриването му потвърждава съществуването на редки и екзотични обекти. Трябва да се отбележи, че колайдерът RHIC пресъздава условията на ранната Вселена, което предоставя уникална възможност за изучаване на асиметрията между материята и антиматерията във Вселената. Звучи предизвикателно – нека се спрем малко по-подробно.

Асиметрията на веществата и антиматерията са един от основните нерешени проблеми във физиката. Предполага се, че асиметрията е възникнала в първите части от секундата след Големия взрив.

Антиматерията и антивеществото

Материята, която се състои от античастици – „огледални образи“ на редица елементарни частици, които имат еднакъв спин и маса – се нарича антиматерия. Въпреки че се смята, че Вселената е изградена по-скоро от материя, отколкото от антиматерия, вероятно и двете са присъствали в равни количества в космическите пространства по време на Големия взрив преди около 14 милиарда години.

Антивеществото, от своя страна, се състои от античастици, които не се образуват стабилно в природата (досега антивещество не е открито в нашата Галактика или извън нея). По тази причина ядрата на атомите на антиматерията се синтезират от учените и се състоят от антипротони и антинеутрони, а обвивките – от позитрони.

Така че, за да могат да изследват асиметрията на материята и антиматерията във Вселената, физиците трябва първо да открият нови частици антиматерия. Такава е логиката, която прилагат авторите на ново изследване, публикувано в списание Nature.

Експериментът се проведе в колайдера RHIC, където се сблъскаха златни ядра с енергии до 200 GeV на нуклон. Тези високоенергийни сблъсъци създават условия, подобни на условията, съществували в първите микросекунди след Големия взрив, и водят до появата на кварк-глуонна плазма – състояние на материята, при което кварките и глуоните не се свързват в познатите ни протони и неутрони.

Да напомним, че Релативисткият колайдер на тежки йони (RHIC) е един от малкото ускорители в света, способен да ускорява тежки йони до релативистки скорости, пресъздавайки условията на ранната Вселена.

Международната изследователска група, която е специализирана в изучаването на свойствата на силно взаимодействащата материя при високи енергии в RHIC, е STAR Collaboration.

Антихиперводород-4

В рамките на експеримента учените за първи път успяха да наблюдават антихиперводород-4 – екзотично хиперядро от антиматерия (хиперядрата са ядра, които съдържат хиперони – частици, включващи поне един странен кварк). Това е най-тежкото хиперядро от антиматерия, открито досега.

Авторите на новото изследване са търсили и специфични признаци на разпада на антихиперводород-4. Трябва да се отбележи, че разпадът на това нестабилно ядро води до образуването на антихелий-4 и положително зареден пион (π⁺). Както се посочва в статията, антихелий-4 „е бил открит по-рано от колаборацията STAR, което е помогнало за идентифицирането на нови събития“.

Излишно е да се казва, че намирането и наблюдението на антихиперхидроген-4 е изключително трудна задача. Нещо повече, според Лиджуан Жуанг, физик от Националната лаборатория Брукхейвън:

„Само благодарение на чистия късмет четирите съставни частици – антипротон, два антинеутрона и антихиперон – можеха да се появят от сблъсък достатъчно близо една до друга, за да образуват антиядро“.

Екипът анализира и следите от милиарди сблъсъци, за да открие редки събития, съответстващи на разпадането на антихиперводород-4. Всеки антихиперводород-4, който се появява от сблъсъка, може да бъде свързан със стотици и дори хиляди положителни пиони.

Основната задача на учените бе да открият двойки частици, чиито траектории се пресичат в една точка – върхът на разпада – която има определени характеристики.

Резултати от изследването

„Въпреки че Големият взрив е трябвало да създаде равни количества материя и антиматерия, наблюдаваната Вселена е съставена от материя. Разбирането на причините за този дисбаланс е едно от основните предизвикателства на съвременната физика“, казват авторите на новото изследване.

В днешния свят, доминиран от материята, антиматерията се среща изключително рядко, тъй като лесно анихилира със заобикалящата я материя. Ядрата и хиперядрата на антиматерията се произвеждат още по-трудно. Откакто учените са предсказали съществуването на антиматерия през 1928 г., са открити само шест вида антиматерийни (хипер)ядра.

Съвременната физика приема, че свойствата на материята и антиматерията са симетрични и че при Големия взрив са съществували равни количества материя и антиматерия. За щастие, някакъв мистериозен физически механизъм е довел до лека асиметрия в ранната Вселена. След анихилацията на по-голямата част от материята и антиматерията, оцеляла приблизително една на десет милиарда частици материя, която формирала света на материята, който виждаме днес, обясняват ученит

Чрез внимателен анализ физиците откриват 22 събития, от които около 6,4 могат да бъдат обяснени с „фонов“ шум. Това означава, че около 16 събития отговарят на реални разпади на антихиперводород-4. Тази статистическа значимост даде възможност на екипа да направи пряко сравнение на свойствата на материята и антиматерията.

Изследователите също така сравниха „продължителността на живота“ на антихиперводород-4 с неговия материален аналог, хиперводород-4, и сравниха двойките хипертритон и антихипертритон. Резултатите, получени при експеримента, показват, че времето на живот на тези двойки е почти идентично, което съответства на прогнозите на Стандартния модел на физиката на елементарните частици.

Значение на откритието за науката

Откритието, както отбелязват неговите автори, показва, че с изключение на противоположните електрически заряди, антиматерията има същите свойства като материята. Но тъй като нашата Вселена е съставена предимно от материя, причините за този дисбаланс все още са загадка. За щастие откритието на антихиперводород-4 предоставя нов инструмент за изследване на асиметрията.

Резултатите от експеримента също така подкрепят прогнозата, че свойствата на антиматерията трябва да са огледални на тези на материята.

„Ако бяхме видели, че тази симетрия е нарушена, щеше да се наложи да преосмислим много идеи в областта на физиката. Фактът, че симетрията е запазена, укрепва доверието в съществуващите теории“, подчертава Емили Дъкуърт от Държавния университет в Кент.

Резултатите от новото изследване също така отварят вратата за по-нататъшни изследвания на по-тежките ядра от антиматерия и хиперядрата, което може да доведе до по-добро разбиране на силното взаимодействие и процесите, които се наблюдават в такива екстремни условия като вътрешната структура на неутронните звезди.

Бъдещите изследвания

В бъдеще екипът на STAR Collaboration възнамерява да продължи изследванията в тази област, като използва по-съвършени методи за откриване и анализ на данните. Възможността за създаване и наблюдение на по-сложни структури от антиматерия може да доведе до нови открития в ядрената физика и космологията.

Д-р Хао Цю от Института по съвременна физика смята, че откриването на нови частици антиматерия е необходимо за по-нататъшното изследване на асиметрията между материята и антиматерията. Той подчертава, че резултатите от новото изследване са голяма крачка напред в експерименталното изучаване на антиматерията.

Като цяло авторите на научния труд за пореден път потвърдиха правилността на съществуващите модели и направиха голяма крачка напред в експерименталните изследвания на антиматерията.

Трябва да отбележим също, че историческото наблюдение на антихиперводород-4 потвърждава фундаменталните принципи на физиката и открива нови пътища за изследвания, демонстрирайки възможностите на съвременните технологии и значението на международното сътрудничество за постигане на пробивни резултати.