Физики впервые наблюдали антигиперводород-4. Рассказываем что это такое

Международная команда физиков из коллаборации STAR на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории совершила прорыв в понимании фундаментальных свойств материи и антиматерии. Дело в том, что ученым впервые удалось наблюдать экзотическое антиядро, которое состоит из четырех частиц антиматерии – двух антинейтронов, одного антигиперона и одного антипротона. Новый тип ядра получил название антигиперводород-4, а его обнаружение подтверждает существование редких и экзотических объектов. Отметим, что коллайдер RHIC воссоздает условия ранней Вселенной, представляя уникальную возможность для изучения асимметрии между материей и антиматерией во Вселенной. Звучит непросто, согласны, так что давайте разбираться!

Асимметрия вещества и антивещества – одна из главных нерешенных задач в физике. Предполагается, что асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого Взрыва.

Антиматерия и антивещество

Материю, которая состоит из античастиц – «зеркальных отражений» ряда элементарных частиц, обладающих одинаковыми спином и массой, – называют антиматерией. И хотя считается, что Вселенная состоит из материи, а не из антивещества, и то и другое, вероятно, присутствовало на космических просторах в равных количествах во время Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад.

Антивещество, в свою очередь, состоит из античастиц, которые стабильно не образуются в природе (на сегодняшний день антивещество в нашей Галактике и за ее пределами не обнаружено). По этой причине ядра атомов антивещества синтезируются учеными и состоят из антипротонов и антинейтронов, а оболочки — из позитронов.

Таким образом, чтобы изучить асимметрию вещества и антивещества во Вселенной физики первым делом должны обнаружить новые частицы антивещества. Именно такой логики придерживались авторы нового исследования, опубликованного в журнале Nature.

Больше по теме: О чем говорит странная физика черных дыр? Обсуждаем самые невероятные гипотезы

Эксперимент проходил на коллайдере RHIC для столкновения ядер золота при энергиях, достигающих 200 ГэВ на нуклон. Эти высокоэнергетические столкновения создают условия, аналогичные тем, что существовали в первые микросекунды после Большого взрыва и порождали кварк-глюонную плазму — состояние материи, где кварки и глюоны не связывались в привычные протоны и нейтроны.

Напомним, что релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) – это один из немногих ускорителей в мире, способных разгонять тяжелые ионы до релятивистских скоростей, воссоздавая условия ранней Вселенной.

Международная исследовательская группа, которая специализируется на изучении свойств сильно взаимодействующей материи при высоких энергиях на RHIC – коллаборация STAR.

Антигиперводород-4

В рамках эксперимента ученым впервые удалось наблюдать антигиперводород-4 – экзотическое гиперядро антиматерии (гиперядра – это ядра, в которых содержатся гипероны – частицы, включающие по крайней мере один странный кварк). Это самое тяжелое гиперядро антиматерии из всех обнаруженных на сегодняшний день.

Авторы нового исследования также искали специфические сигнатуры распада антигиперводорода-4. Отметим, что распад этого нестабильного ядра приводит к образованию антигелия-4 и положительно заряженного пиона (π⁺). Антигелий-4, как говорится в работе, «ранее был обнаружен коллаборацией STAR, что помогло в идентификации новых событий».

Стоит ли говорить, что поиск и наблюдение антигиперводорода-4 был крайне сложной задачей. Более того, по словам Лицзюань Жуана, физика из Брукхейвенской национальной лаборатории, «только по счастливой случайности четыре составляющие частицы — антипротон, два антинейтрона и антигиперон — могут выйти из столкновения достаточно близко друг к другу, чтобы сформировать антиядро».

Не пропустите: Физики впервые увидели, как фотоны преобразуются в материю

Команда также проанализировала треки миллиардов столкновений, чтобы найти редкие события, соответствующие распаду антигиперводорода-4. Каждый антигелий-4, выходящий из столкновения, мог быть связан с сотнями или даже тысячами положительных пионов.

Главная задача для ученых состояла в том, чтобы найти пары частиц, чьи траектории пересекаются в одной точке — вершине распада, обладающей определенными характеристиками.

Результаты исследования

Несмотря на то что Большой взрыв должен был создать равные количества материи и антиматерии, наблюдаемая Вселенная состоит из материи. Понимание причин этого дисбаланса – одна из главных задач современной физики, – рассказали авторы нового исследования.

В результате тщательного анализа физики обнаружили 22 события, из которых около 6,4 можно было бы объяснить «фоновым» шумом. Это означает, что примерно 16 событий соответствуют реальным распадам антигиперводорода-4. Такая статистическая значимость позволила команде провести прямое сравнение свойств материи и антиматерии.

Исследователи также сравнили «время жизни» антигиперводорода-4 с его материальным аналогом — гипергидрогеном-4 и провели сравнения пар гипертритона и антигипертритона. Полученные в рамках эксперимента результаты показали, что время жизни этих пар практически идентично, что соответствует предсказаниям Стандартной модели физики элементарных частиц.

Еще больше интересных статей о последних открытиях в области физики и высоких технологий, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен – там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!

Значение открытия для науки

Открытие, как отмечают его авторы, свидетельствует о том, что за исключением противоположных электрических зарядов, антиматерия имеет те же свойства, что и материя. Но так как наша Вселенная состоит преимущественно из материи, причины этого дисбаланса до сих пор остаются загадкой. К счастью, открытие антигиперводорода-4 предоставляет новый инструмент для исследования асимметрии.

Результаты эксперимента также подтверждают предсказания о том, что свойства антиматерии должны быть зеркальным отражением свойств материи.

Если бы мы увидели нарушение этой симметрии, нам пришлось бы пересмотреть многие представления о физике. Тот факт, что симметрия сохраняется, укрепляет доверие к существующим теориям, – подчеркнула Эмили Дакворт из Кентского государственного университета.

Результаты нового исследования также открывают возможности для дальнейших исследований более тяжелых антиматериальных ядер и гиперядер, что может привести к более глубокому пониманию сильного взаимодействия и процессов, которые наблюдаются в таких экстремальных условиях, как внутренняя структура нейтронных звезд.

Вам будет интересно: Физика частиц и новейшие технологии: что нас ждет в ближайшие 10 лет?

Будущие исследования

В будущем команда коллаборации STAR планирует продолжить исследования в этой области, используя более совершенные методы детектирования и анализа данных. Возможность создания и наблюдения более сложных антиматериальных структур может привести к новым открытиям в области ядерной физики и космологии.

Доктор Хао Цю из Института современной физики полагает, что для дальнейшего изучения асимметрии между материей и антиматерией, необходимо открытие новых антиматериальных частиц. Он подчеркивает, что результаты нового исследования – это большой шаг вперед в экспериментальном изучении антиматерии.

В общем и целом, авторы научной работы в очередной раз подтвердили правильность существующих моделей и совершили большой шаг вперед в экспериментальных исследованиях антивещества.

Ранее ученые приблизились к пониманию того, почему антиматерии во Вселенной меньше, чем материи. Подробности – здесь!

Отметим также, что историческое наблюдение антигиперводорода-4 подтверждает фундаментальные принципы физики и открывает новые пути для исследований, демонстрируя возможности современных технологий и важное значение международного сотрудничества в достижении прорывных результатов.

Почему ученым из России ограничили доступ к БАК?

Значимость международного сотрудничества, о которой говорят авторы нового исследования, увы, сегодня очевидна не всем. Недавно Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН), которая управляет Большим адронным коллайдером, решила разорвать последние связи с физиками из российских научных организаций начиная с 1 января 2025 года.

Таким образом ЦЕРН закрывает российским ученым доступ к своим исследовательским проектам. Сотрудники ЦЕРН подтвердили эту информацию журналистам The Insider, уточнив, что ограничение касается не только граждан России, но и ученых всех национальностей, которые сотрудничают с российскими институтами.

В соответствии с правилами, которые вступят в силу 1 декабря 2024 года, уже 1 января 2025 года российские ученые, которые ранее не участвовали в проектах ЦЕРН, не смогут сотрудничать с европейским институтом.

По теме: Ученые из ЦЕРН стоят на пороге открытия «новой физики»

Единственным исключением стали действующие контракты между ЦЕРН и ОИЯИ, которые не будут расторгнуты. Это означает, что те российские ученые, которые уже работают над совместными проектами в ЦЕРН, смогут продолжить исследования.

Нас исключают из международного сотрудничества, частью которого мы были на протяжении многих лет. Например, моему коллеге, который проработал в ALICE 30 лет, придется уволиться. Никто не уволен, но в доступе отказано. Это тяжелый удар. Я бы описал это как разрушение всей российской области экспериментальной физики высоких энергий. В конце концов, эти исследователи были на переднем крае современной науки, работая в ЦЕРН, а теперь их оттуда выгоняют, лишая доступа к экспериментальным установкам и мировому научному сообществу. ЦЕРН – единственное место в мире, где возможны подобные исследования. Большой адронный коллайдер – единственный в своем роде. Без доступа к нему нет науки, – рассказал The Insider российский физик, принимавший участие в научных экспериментах в ЦЕРНе.

Другой российский физик, работающий в ЦЕРН, утверждает, что принятое решение не пойдет на пользу европейской организации:

Это решение наносит два удара, и оба наносят ущерб науке в целом. С одной стороны, российские ученые лишены возможности продолжать работу, на которую уже ушли значительные ресурсы и годы их жизни; молодые физики лишены возможности проводить исследования в одной из самых передовых лабораторий мира в рамках сложившихся научных школ. С другой стороны, отъезд российских исследовательских групп ослабит направления их работы в ЦЕРН.

Свое решение ЦЕРН обосновывает тем, что российские исследователи принадлежат к государственным университетам, ректоры которых поддержали политику Российской Федерации в отношении Украины. При этом в организации отмечают, что если ученый из России получит работу, скажем, в итальянском исследовательском центре, сотрудничать с ним будут.

Нобелевская премия 2023: квантовые точки, м-РНК вакцины и аттосекунды

Решение, принятое Европейской организацией ядерных исследований наносит серьезный ущерб не только российской, но и мировой науке: без международного сотрудничества важнейшие для человечества открытия попросту невозможны.