Международная группа физиков зафиксировала самые тяжелые атомные антиядра из наблюдавшихся. Измерения частоты появления этих частиц и их свойств помогут в поисках темной материи в глубоком космосе.
Художественное изображение антигиперводорода-4, созданного при столкновении двух ядер. © Institute of Modern Physics, China
В 1928 году британский физик-теоретик Поль Дирак разработал хорошо согласующуюся с реальностью и экспериментами теорию поведения электронов. Однако она требовала существования электронов с отрицательной энергией, что сделало бы стабильную Вселенную в рамках нашего понимания невозможной.
Ученые нашли альтернативное объяснение для этих «состояний с отрицательной энергией»: антиматерия, или антиэлектроны — двойники электронов с противоположным электрическим зарядом. Антиэлектроны обнаружили в 1932 году, а со временем физики убедились в существовании античастиц для всех фундаментальных частиц.
Если антиэлектроны, антипротоны и антинейтроны могут объединяться в антиатомы, то должны существовать и антипланеты, и антигалактики. А согласно теории Большого взрыва, в начале Вселенной появилось равное количество материи и антиматерии. Но уже почти 100 лет ученые наблюдают значительно больше материи, чем того требует теория.
Результаты исследований на установке STAR (Solenoidal Tracker at RHIC, соленоидный трекер коллайдера RHIC), одного из постоянных экспериментов коллайдера релятивистских тяжелых ионов RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, помогут уточнить связанные с антиматерией физические теории.
Во время экспериментов тяжелые атомы сталкивают с высокой скоростью. Так создают условия, аналогичные первым миллисекундам после Большого взрыва, и наблюдают за последствиями. Каждое столкновение производит сотни новых недолговечных частиц, пионов, и STAR может зафиксировать их все. В детекторе STAR частицы проходят через заполненный газом контейнер, помещенный в магнитное поле. Они оставляют в этой среде «следы»-треки, «толщину» и степень изгиба которых измеряют и анализируют ученые. Так определяют тип частицы, прошедшей через область наблюдения, и ее физические свойства.
В природе ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Искусственно можно создать «гиперядро», где один из нейтронов заменен на гиперон — более тяжелую версию нейтрона. То, что зафиксировали в эксперименте STAR, — состоящее из антиматерии гиперядро, то есть антигиперядро. Это самое тяжелое и экзотическое ядро антиматерии, когда-либо наблюдавшееся человеком.
Оно состоит из двух антинейтронов, одного антипротона и антигиперона. Ядро называется «антигиперводород-4». Среди данных о миллиардах образовавшихся во время многолетних экспериментов пионов нашлись всего 16 ядер антигиперводорода-4. В рамках актуальных физических теорий более тяжелые антигиперядра должны встречаться еще реже. Сравнение гиперядер с их антиматериальными аналогами показало, что они имеют одинаковые периоды жизни и массы — именно то, что предсказывает теория Дирака. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Антиматерия тесно связана с темной материей. Наблюдения показывают, что темная в пять раз более распространена, чем обычная материя, но мы не можем напрямую обнаружить ее и ориентируемся по косвенным данным. Некоторые теории темной материи предполагают, что при столкновении двух частиц темной материи они аннигилируют и производят вспышку материи и антиматерии. Это может привести к образованию антигелия, за которым следит эксперимент Alpha Magnetic Spectrometer на борту Международной космической станции.
Данные эксперимента STAR помогут откалибровать теоретические модели, чтобы понять, сколько антиматерии производится при столкновении обычной материи.
