Badania prowadzone przy użyciu Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) stanowią klucz do zrozumienia wczesnego Wszechświata. W zderzeniach ciężkich jonów powstaje gorąca i gęsta plazma kwarkowo-gluonowa – stan materii, który istniał około milionowej części sekundy po Wielkim Wybuchu. Oprócz odtwarzania warunków panujących w tak wczesnych etapach ewolucji kosmosu, te ekstremalne kolizje sprzyjają również powstawaniu rzadkich i egzotycznych form materii, takich jak hiperjądra oraz ich antymateriowe odpowiedniki.
Hiperjądra: egzotyczne układy z dziwnymi kwarkami
Hiperjądra to jądra atomowe zawierające nie tylko protony i neutrony, ale również tzw. hiperony – cząstki, w których skład wchodzi co najmniej jeden kwark typu dziwnego (strange). Obecność hiperonu nadaje jądru zupełnie nowe własności, czyniąc je doskonałym obiektem badań nad oddziaływaniami silnymi między cząstkami. Choć pierwsze hiperjądra wykryto w latach 50. XX wieku w promieniach kosmicznych (przez Polaków – Jerzego Pniewskiego i Mariana Danysza), to pozostają one rzadkim zjawiskiem. Ich tworzenie i obserwacja w laboratorium są trudne, lecz w zderzeniach ciężkich jonów w LHC powstają one w ilościach pozwalających na szczegółowe badania.
Dotychczas w zderzeniach tego typu zaobserwowano najlżejsze hiperjądro – hipertryton (zbudowany z protonu, neutronu i jednego hiperonu lambda) oraz jego antymateriowy odpowiednik – antyhipertryton. Pozyskanie danych dotyczących cięższych hiperjąder oraz ich antyodpowiedników stanowiło poważne wyzwanie eksperymentalne.
Nowe osiągnięcia w badaniach hipermaterii i antyhipermaterii
Wyniki kolaboracji ALICE działającej przy LHC uzyskała pierwsze w historii dowody na istnienie antyhiperhelu-4, czyli antymateriowego partnera hiperhelu-4. Hiperhel-4 jest analogiem dobrze znanego jądra helu-4, lecz wzbogaconym o hiperon lambda. Standardowy hiperhel-4 składa się z dwóch protonów, jednego neutronu i jednej lambdy, zaś jego antymateriowy odpowiednik zawiera dwa antyprotony, antyneutron oraz antypartnera lambdy (antilambda).
Ten przełomowy wynik w pewnym sensie „nadąża” za wcześniejszą, opublikowaną w tym samym roku obserwacją dokonana przez kolaborację STAR przy zderzaczu RHIC, która potwierdziła istnienie antyhiperwodoru-4. Teraz odkrycie ALICE stanowi kolejny krok naprzód, dostarczając dowodów o istotności statystycznej 3,5 odchylenia standardowego na obecność antyhiperhelu-4 – najcięższego dotąd zarejestrowanego antyhiperjądra w LHC.
Metody poszukiwań i charakterystyka wyników
Wynik zespołu ALICE uzyskano na podstawie danych zebranych w 2018 roku w zderzeniach jąder ołowiu przy energii 5,02 TeV na parę zderzających się nukleonów. Aby odróżnić sygnał od szumu, naukowcy zastosowali zaawansowane metody uczenia maszynowego, które okazały się skuteczniejsze niż tradycyjne techniki wyszukiwawcze.
Obserwowano rozmaite kanały rozpadu hiperjąder i antyhiperjąder. Przykładowo, obecność (anty)hiperwodoru-4 wnioskuje się z jego rozpadu na (anty)hel-4 oraz naładowany pion. Z kolei (anty)hiperhel-4 można zidentyfikować dzięki rozpadowi na (anty)hel-3, (anty)proton i naładowany pion. Zaobserwowano nie tylko antyhiperhel-4, ale także sygnał antyhiperwodoru-4 z istotnością aż 4,5 odchylenia standardowego.
Badania pozwoliły określić masy oraz ilości (produkcyjność) tych cząstek. Zmierzona masa jest zgodna z dotychczas znanymi wartościami podawanymi w światowych bazach danych. Istotne jest też porównanie uzyskanych wyników z przewidywaniami modeli teoretycznych, w tym z tzw. statystycznym modelem hadronizacji. Ten model opisuje powstawanie hadronów i jąder w zderzeniach ciężkich jonów, a nowo uzyskane wyniki wskazują, że uwzględnienie zarówno stanów podstawowych, jak i stanów wzbudzonych hiperjąder pozwala na bardzo dobrą zgodność danych eksperymentalnych z teorią.
Materia i antymateria – równowaga w skali LHC
Kolejnym interesującym wynikiem jest wyznaczenie stosunku antycząstek do cząstek. Dla obu badanych hiperjąder okazał się on zgodny z jednością w granicach niepewności pomiarowej. Oznacza to, że w warunkach panujących w LHC materia i antymateria powstają w równych ilościach. Jest to bardzo ważne w kontekście poszukiwań przyczyn asymetrii materii i antymaterii we współczesnym Wszechświecie. Choć obecnie obserwujemy przewagę materii, wyniki ze zderzaczy cząstek wskazują, że w ekstremalnych warunkach pierwotnej plazmy kwarkowo-gluonowej obie formy mogły być produkowane niemal w równych proporcjach.
Podsumowanie
Odkrycie antyhiperhelu-4 przez kolaborację ALICE to znaczący krok w badaniach nad hipermaterią i antyhipermaterią. Wyniki są zgodne z teoriami opisującymi powstawanie hadronów i jąder oraz potwierdzają, że w ultrarelatywistycznych zderzeniach ciężkich jonów materia i antymateria pojawiają się na podobnym poziomie. Te nowe dane rozbudowują naszą wiedzę o wczesnym Wszechświecie, silnych oddziaływaniach i procesach, które doprowadziły do obecnej dominacji materii. Jednocześnie stanowią ważny punkt odniesienia dla dalszych badań i poszukiwań w dziedzinie fizyki jądrowej i cząstek elementarnych.
[1] Tłumaczenie na podstawie: https://phys.org/news/2024-12-alice-evidence-antimatter-partner-hyperhelium.html
[2] Publikacja naukowa „First measurement of A = 4 (anti)hypernuclei at the LHC” dostępna w ArXiv: https://arxiv.org/abs/2410.17769