Первое в истории свидетельство существования антигипергелия-4 на БАК

Столкновения тяжелых ионов на Большом адронном коллайдере (БАК) создают кварк-глюонную плазму, горячее и плотное состояние материи, которое, как полагают, заполнило вселенную примерно через одну миллионную долю секунды после Большого взрыва. Столкновения тяжелых ионов также создают подходящие условия для образования атомных ядер и экзотических гиперядер, а также их аналогов в антивеществе, антиядер и антигиперядер.

Измерения этих форм материи важны для различных целей, в том числе для понимания образования адронов из кварков и глюонов, составляющих плазму, а также асимметрии материи и антиматерии, наблюдаемой в современной Вселенной.

Гиперядра — это экзотические ядра, образованные смесью протонов, нейтронов и гиперонов, причем последние являются нестабильными частицами, содержащими один или несколько странных кварков (s-кварк). В течении более 70 лет с момента их открытия в космических лучах, гиперядра остаются источником интереса для физиков, поскольку они редко встречаются в природе, и их сложно создавать и изучать в лабораторных условиях.

В столкновениях тяжелых ионов гиперядра создаются в значительных количествах, но до недавнего времени наблюдались только самое легкое гиперядро, гипертритон, и его партнер по антиматерии, антигипертритон. Гипертритон состоит из протона, нейтрона и лямбды (гиперон, содержащий один странный кварк). Антигипертритон состоит из антипротона, антинейтрона и антилямбды.

Вслед за наблюдением антигипергелия-4 (связанного состояния антипротона, двух антинейтронов и антилямбды), о котором ранее в этом году сообщила коллаборация STAR на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), коллаборация ALICE на Большом адронном коллайдере получила первое в истории свидетельство существования антигипергелия-4, который состоит из двух антипротонов, антинейтрона и антилямбды.

Результат имеет значимость 3,5 стандартных отклонений и также представляет собой первое доказательство самого тяжелого гиперядра антиматерии на БАК.

Измерение ALICE основано на данных о столкновениях свинца со свинцом, полученных в 2018 году при энергии 5,02 тераэлектронвольт (ТэВ) для каждой сталкивающейся пары нуклонов (протонов и нейтронов). Используя метод машинного обучения, который превосходит обычные методы поиска гиперядер, исследователи ALICE изучили данные на предмет сигналов гиперводорода-4, гипергелия-4 и их партнеров по антиматерии.

Кандидаты на (анти)гиперводород-4 были идентифицированы путем поиска ядра (анти)гелия-4 и заряженного пиона, на который он распадается, тогда как кандидаты на (анти)гипергелий-4 были идентифицированы путем его распада на ядро ​​(анти)гелия-3, (анти)протон и заряженный пион.

Помимо обнаружения доказательств наличия антигипергелия-4 со значимостью 3,5 стандартных отклонений, а также доказательств наличия антигиперводорода-4 со значимостью 4,5 стандартных отклонений, команда ALICE измерила выход и массу обоих гиперядер.

Для обоих гиперядер измеренные массы совместимы с текущими средними мировыми значениями. Измеренные выходы сравнивались с предсказаниями статистической модели адронизации, которая дает хорошее описание образования адронов и ядер в столкновениях тяжелых ионов.

Это сравнение показывает, что предсказания модели хорошо согласуются с данными, если в предсказания включены как возбужденные гиперядерные состояния, так и основные состояния. Результаты подтверждают, что статистическая модель также может дать хорошее описание образования гиперядер, которые являются компактными объектами с размерами около 2 фемтометров (1 фемтометр равен 10 ^-15 метрам).

Исследователи также определили отношения выхода античастиц к частицам для обоих гиперядер и обнаружили, что они согласуются с единицей в пределах экспериментальных неопределенностей. Это согласуется с наблюдением ALICE о равном производстве материи и антиматерии при энергиях БАК и дополняет текущие исследования дисбаланса материи и антиматерии во Вселенной.

Результаты опубликованы на сервере препринтов arXiv.