Физики ЦЕРН измеряют свойства гиперядер
Физики из коллаборации ALICE на Большом адронном коллайдере ЦЕРН точно измерили два свойства гиперядер, которые могут существовать в ядрах плотных астрофизических объектов, таких как нейтронные звезды.
Атомные ядра и их аналоги из антивещества, известные как антиядра, часто образуются на Большом адронном коллайдере в результате высокоэнергетических столкновений между тяжелыми ионами или протонами.
На менее частой, но все же регулярной основе также образуются нестабильные ядра, называемые гиперядрами.
В отличие от обычных ядер, состоящих только из протонов и нейтронов (то есть нуклонов), гиперядра также состоят из гиперонов — нестабильных частиц, содержащих кварки странного типа.
«Гиперядра — это связанные состояния нуклонов и гиперонов, которые особенно интересны, поскольку их можно использовать в качестве экспериментальных зондов для изучения гиперон-нуклонного взаимодействия», — сказали физики ALICE.
Поиск гиперядер и изучение гиперон-нуклонного взаимодействия были источником увлечения физиков-ядерщиков с момента открытия первых гиперядер в 1953 году.
В последние годы измерения образования и времени жизни гиперонов вызвали интересные дебаты в сообществе физиков высоких энергий.
«Знания о гиперон-нуклонном взаимодействии в последнее время стали более актуальными из-за их связи с моделированием плотных астрофизических объектов, таких как нейтронные звезды».
Действительно, во внутреннем ядре нейтронных звезд создание гиперонов энергетически более выгодно по сравнению с чисто нуклонной материей.
Наличие гиперонов в качестве дополнительных степеней свободы приводит к существенной модификации уравнения состояния материи, запрещающей образование нейтронных звезд большой массы.
«Это несовместимо с наблюдением нейтронных звезд тяжелее двух солнечных масс, что составляет то, что называется загадкой гиперона» — говорят ученые.
На Большом адронном коллайдере гиперядра образуются в значительных количествах при столкновениях тяжелых ионов, но пока что единственным наблюдаемым на коллайдере гиперядром является легчайшее гиперядро, гипертритон ( 3 Λ H), который состоит из протона, нейтрона и лямбда-частицы гиперона (лямбда-бариона (Λ)), содержащий один странный кварк.
В новом исследовании команда ALICE изучила образец из примерно тысячи гипертритонов, образовавшихся в результате столкновений свинца со свинцом, которые произошли на Большом адронном коллайдере во время его второго запуска.
После образования в этих столкновениях гипертритоны пролетают несколько сантиметров внутри эксперимента ALICE, прежде чем распадаются на две частицы, ядро гелия-3 и заряженный пион, которые детекторы ALICE могут уловить и идентифицировать.
Физики исследовали эти дочерние частицы и следы, которые они оставляют в детекторах.
Анализируя эту выборку гипертритонов, одну из крупнейших доступных для этих «странных» ядер, они смогли получить самые точные измерения двух свойств гипертритона: его времени жизни и энергии, необходимой для отделения его гиперона, от остальных составляющих.
Эти два свойства являются фундаментальными для понимания внутренней структуры этого гиперядра и, как следствие, природы сильного взаимодействия, связывающего воедино нуклоны и гипероны.
Новые измерения показывают, что взаимодействие между гипероном гипертритона и его двумя нуклонами чрезвычайно слабое: энергия разделения лямбда составляет всего несколько десятков килоэлектронвольт, что аналогично энергии рентгеновских лучей, используемых в медицинской визуализации, а время жизни гипертритона совместимо с временем жизни свободного Λ бариона, что указывает на то, что взаимодействие между нуклонами и Λ барионами слабое.
Кроме того, поскольку вещество и антивещество производятся на Большом адронном коллайдере почти в равных количествах, исследователи ALICE также смогли изучить антигипертритоны и определить их время жизни.
Они обнаружили, что в пределах экспериментальной погрешности измерений антигипертритон и гипертритон имеют одинаковое время жизни.
Обнаружение даже небольшой разницы между двумя временами жизни может сигнализировать о нарушении фундаментальной симметрии природы, СРТ-симметрии.
«Главное, что осталось сделать для полного понимания структуры гипертритона, — это измерение коэффициентов ветвления для различных каналов распада», — сказали ученые.
«Третий заруск Большого адронного коллайдера сделает эти измерения доступными с беспрецедентной точностью».
Результаты команды были опубликованы онлайн на сервере препринтов arXiv.org.