Физики нашли антигипергелий

Столкновения тяжелых ионов в Большом адронном коллайдере (БАК) создают кварк-глюонную плазму — плотное и очень горячее состояние матери. В 2015 году на БАК создали кварк-глюонную плазму температурой 10 триллионов градусов Цельсия. Ученые считают, что именно такое вещество заполняло Вселенную спустя миллионную долю секунды после Большого взрыва.

Столкновения частиц в БАК также создают условия для образования атомных ядер, экзотических гиперядер и их антиматериальных аналогов — анти-ядер и анти-гиперядер. Гиперядра состоят не только из нейтронов и протонов, там есть еще одна элементарная частица — гиперон.

Изучение таких форм материи имеет большое значение для физики. Исследуя экстремальные условия, ученые точнее понимают процессы формирования адронов из кварков и глюонов в плазме, а также асимметрии материи и антиматерии, наблюдаемой во Вселенной сегодня.

В результате столкновений тяжелых ионов до недавнего времени наблюдались лишь самые легкие гиперядерные ядра, гипертритон и гиперводород. Античастицу гипертритона обнаружили в 2010 году, а антигиперводород-4 — только в 2024-м. Антигиперводород-4 состоит из антипротона, двух антинейтронов и анти-лямбда-гиперона.

Теперь ученые представили доказательства существования антигипергелия-4. Данные собрали на эксперименте ALICE (A Large Ion Collider Experiment, детектор столкновений тяжелых ионов), одном из восьми основных детекторов БАК. Экзотическое ядро состоит из двух антипротонов, антинейтрона и анти-лямбда-гиперона.

Результат имеет статистическую значимость 3,5 стандартных отклонений, а это значит, что ученые уверены в существовании антигипергелия-4. Это экзотическое ядро становится самым тяжелым антиматериальным гиперядерным ядром, которое экспериментально нашли на БАК. Результаты эксперимента описаны в статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv.

Измерения ALICE собраны при столкновении свинцовых ядер в 2018 году при энергии 5,02 тераэлектронвольта на сталкивающуюся пару частиц. Исследователи искали сигналы гиперводорода-4, гипергелия-4 и их антиматериальных партнеров в огромном количестве данных с помощью специально разработанного алгоритма машинного обучения.

Частиц — кандидатов на роль антигиперводорода-4 идентифицировали по распаду на ядро антигелия-4 и заряженный пион, тогда как кандидаты на антигипергелий-4 — по распаду на ядро антигелия-3, антипротон и заряженный пион.

Помимо обнаружения экзотических ядер, команда ALICE измерила количество и массы обоих гиперядер. Массы согласуются с остальными экспериментами физиков по всему миру. Полученные результаты сопоставили с расчетами статистической модели адронизации, которая хорошо описывает процесс образования адронов и ядер в столкновениях тяжелых ионов, и модель хорошо согласуется с экспериментальными данными. Размер гиперядер — около двух фемтометров (2⋅10⁻¹⁵ метров).

Соотношение античастиц к частицам для обоих гиперядер — 1:1. Это подтверждает равное образование материи и антиматерии при энергиях эксперимента в БАК. Физика высоких энергий пока не может объяснить дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной, но каждый эксперимент приближает ученых к объяснению асимметрии материи.