Международен екип от физици от STAR Collaboration в Релативисткия колайдер

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 съумяха да следят екзотично антиядро, което се състои от четири частици антиматерия – два антинеутрона, един антихиперон и един антипротон. Новият вид ядро беше наименуван антихиперводород-4, а откриването му удостоверява съществуването на редки и екзотични обекти. Трябва да се означи, че колайдерът RHIC пресъздава изискванията на ранната Вселена, което дава неповторима опция за проучване на асиметрията сред материята и антиматерията във Вселената. Звучи предизвикателно – дано се спрем малко по-подробно.

Учените за първи път следят антихиперводород-4, което открива нови хоризонти във физиката на обикновените частици

Асиметрията на веществата и антиматерията са един от главните нерешени проблеми във физиката. Предполага се, че асиметрията е зародила в първите елементи от секундата след Големия гърмеж.

Антиматерията и антивеществото

Материята, която се състои от античастици – „ огледални облици “ на редица обикновени частици, които имат идентичен спин и маса – се назовава антиматерия. Въпреки че се счита, че Вселената е построена по-скоро от материя, в сравнение с от антиматерия, евентуално и двете са участвали в равни количества в галактическите пространства по време на Големия гърмеж преди към 14 милиарда години.

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

Асиметрията на веществото и антивеществото е един от главните проблеми на актуалната просвета

Така че, с цел да могат да изследват асиметрията на материята и антиматерията във Вселената, физиците би трябвало първо да открият нови частици антиматерия. Такава е логиката, която ползват създателите на ново проучване, оповестено в списание Nature.

Експериментът се организира в колайдера RHIC, където се сблъскаха златни ядра с сили до 200 GeV на нуклон. Тези високоенергийни конфликти основават условия, сходни на изискванията, съществували в първите микросекунди след Големия гърмеж, и водят до появяването на кварк-глуонна плазма – положение 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 дребното ускорители в света, кадърен да форсира тежки йони до релативистки скорости, пресъздавайки изискванията на ранната Вселена.

Международната изследователска група, която е профилирана в проучването на свойствата на мощно взаимодействащата материя при високи сили в RHIC, е STAR Collaboration.

Антихиперводород-4

В рамките на опита учените за първи път съумяха да следят антихиперводород-4 – екзотично хиперядро от антиматерия (хиперядрата са ядра, които съдържат хиперони – частици, включващи най-малко един чудноват кварк). Това е най-тежкото хиперядро от антиматерия, намерено до момента.

Авторите на новото проучване са търсили и характерни признаци на разпада на антихиперводород-4. Трябва да се означи, че разпадът на това несигурно ядро води до образуването на антихелий-4 и позитивно зареден пион (π⁺). Както се показва в публикацията, антихелий-4 „ е бил открит по-рано от колаборацията STAR, което е помогнало за идентифицирането на нови събития “.

Антихиперводород-4 се състои от антипротон, два антинеутрона и антиламбда-хиперон (антихиперон)

Излишно е да се споделя, че намирането и наблюдението на антихиперхидроген-4 е извънредно сложна задача. Нещо повече, съгласно Лиджуан Жуанг, физик от Националната лаборатория Брукхейвън:

„ Само с помощта на чистия шанс четирите съставни частици – антипротон, два антинеутрона и антихиперон – можеха да се появят от конфликт задоволително близо една до друга, с цел да образуват антиядро “.

Екипът проучва и следите от милиарди конфликти, с цел да открие редки събития, съответстващи на разпадането на антихиперводород-4. Всеки антихиперводород-4, който се появява от конфликта, може да бъде обвързван със стотици и даже хиляди позитивни пиони.

При конфликта в RHIC се получават доста пиони

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

Резултати от проучването

„ Въпреки че Големият гърмеж е трябвало да сътвори равни количества материя и антиматерия, следената Вселена е формирана от материя. Разбирането на аргументите за този дисбаланс е едно от главните провокации на актуалната физика “, споделят създателите на новото проучване.

В днешния свят, доминиран от материята, антиматерията се среща извънредно рядко, защото елементарно анихилира със заобикалящата я материя. Ядрата и хиперядрата на антиматерията се създават още по-трудно. Откакто учените са предсказали съществуването на антиматерия през 1928 година, са открити единствено шест типа антиматерийни (хипер)ядра.

Съвременната физика приема, че свойствата на материята и антиматерията са симетрични и че при Големия гърмеж са съществували равни количества материя и антиматерия. За благополучие, някакъв тайнствен физически механизъм е довел до лека асиметрия в ранната Вселена. След анихилацията на по-голямата част от материята и антиматерията, оживяла почти една на 10 милиарда частици материя, която формирала света на материята, който виждаме през днешния ден, изясняват ученит

Чрез деликатен разбор физиците откриват 22 събития, от които към 6,4 могат да бъдат обяснени с „ фонов “ звук. Това значи, че към 16 събития дават отговор на действителни разпади на антихиперводород-4. Тази статистическа значителност даде опция на екипа да направи директно съпоставяне на свойствата на материята и антиматерията.

Антихиперводород-4 е ключът към разгадаването тайните на Вселената

Изследователите също по този начин съпоставиха „ продължителността на живота “ на антихиперводород-4 с неговия веществен аналог, хиперводород-4, и съпоставиха двойките хипертритон и антихипертритон. Резултатите, получени при опита, демонстрират, че времето на живот на тези двойки е съвсем идентично, което подхожда на прогнозите на Стандартния модел на физиката на обикновените частици.

Значение на откритието за науката

Откритието, както означават неговите създатели, демонстрира, че като се изключи противоположните електрически заряди, антиматерията има същите свойства като материята. Но защото нашата Вселена е формирана най-вече от материя, аргументите за този дисбаланс към момента са мистерия. За благополучие откритието на антихиперводород-4 дава нов инструмент за проучване на асиметрията.

Резултатите от опита също по този начин поддържат прогнозата, че свойствата на антиматерията би трябвало да са огледални на тези на материята.

Откриването на 16 действителни събития, включващи антихиперводород-4, при предстоящ фонов звук от 6,4 събития, дава висока степен на доверие в пробните резултати

„ Ако бяхме видели, че тази симетричност е нарушена, щеше да се наложи да преосмислим доста хрумвания в региона на физиката. Фактът, че симетрията е непокътната, укрепва доверието в съществуващите теории “, акцентира Емили Дъкуърт от Държавния университет в Кент.

Резултатите от новото проучване също по този начин отварят вратата за по-нататъшни проучвания на по-тежките ядра от антиматерия и хиперядрата, което може да докара до по-добро схващане на мощното взаимоотношение и процесите, които се следят в такива рискови условия като вътрешната конструкция на неутронните звезди.

Бъдещите проучвания

В бъдеще екипът на STAR Collaboration има намерение да продължи проучванията в тази област, като употребява по-съвършени способи за разкриване и разбор на данните. Възможността за основаване и наблюдаване на по-сложни структури от антиматерия може да докара до нови открития в нуклеарната физика и космологията.

Д-р Хао Цю от Института по модерна физика счита, че откриването на нови частици антиматерия е належащо за по-нататъшното проучване на асиметрията сред материята и антиматерията. Той акцентира, че резултатите от новото проучване са огромна крачка напред в пробното проучване на антиматерията.

В бъдеще това проучване може да помогне за разрешаването на една от най-големите загадки на Вселената – за какво тя е формирана най-вече от материя, а не от антиматерия.

Като цяло създателите на научния труд за следващ път потвърдиха правилността на съществуващите модели и направиха огромна крачка напред в пробните проучвания на антиматерията.

Трябва да отбележим също, че историческото наблюдаване на антихиперводород-4 удостоверява фундаменталните правила на физиката и открива нови пътища за проучвания, демонстрирайки опциите на актуалните технологии и смисъла на интернационалното съдействие за реализиране на пробивни резултати.