На Великому адронному колайдері виявлено рідкісні “гіперядра”

На Великому адронному колайдері виявлено рідкісні "гіперядра"

Рідкісний тип частинок з’явився в результаті зіткнень протонів у Великому адронному колайдері.

У 2016-2018 роках фізики зафіксували понад 100 рідкісних, нестабільних гіперядер – атомних ядер, які містять незвичайний аромат кварка в одній з ядерних частинок.

Це відкриття може допомогти нам зрозуміти джерело таємничого антигелію, попередньо виявленого у далеких просторах космосу.

Великий адронний колайдер – це те, як це звучить: гігантська машина для розбивання частинок у високошвидкісних зіткненнях, щоб фізики могли досліджувати залишки і шукати такі речі, як нестабільні, короткоживучі частинки, які ми не можемо виявити ніяким іншим способом.

Ядра і антиядра – серця атомів та їхні античастинки – досить поширені, вони складаються з баріонів, які називаються протонами і нейтронами.

Баріони, в свою чергу, складаються з пінного безладу кварків і антикварків, в якому в середньому домінують лише три різновиди: два верхніх кварки і один нижній для протонів, і один верхній кварк і два нижніх для нейтронів.

На Великому адронному колайдері виявлено рідкісні "гіперядра"

Ілюстрація нейтронної зорі, всередині якої, як вважають, утворюються гіперони. (NASA)

Набагато рідше зустрічаються гіперядра, які містять гіперони на додаток до протонів і нейтронів. У цих баріонах з’являються дивні кварки.

Читайте також:  Вчені попереджають: На південному заході США з'являються гігантські тріщини

Гіпертритон – одне з таких гіперядер; воно складається з протонів, нейтронів і лямбда-гіперонів, які містять один дивний кварк.

Такі гіперядра, як гіпертритон, викликають великий інтерес не лише заради них самих, але й в астрофізичному контексті.

Вчені вважають, що гіперони можуть утворюватися всередині нейтронних зірок, колапсованих ядер колись масивних зірок, які стали надновими. Ці ядра настільки щільні, що їхню фізику важко дослідити і зрозуміти.

Але вони також дуже швидко розпадаються, тож якщо ми хочемо знайти гіпертритони та їхні античастинки, то колайдер частинок – це, мабуть, єдине ймовірне місце, де їх можна шукати.

Щоб знайти їх, учасники колаборації Large Hadron Collider beauty (LHCb) застосували нову методику до даних, зібраних під час одного з попередніх запусків колайдера. Вони не виявили гіпертритон чи антигіпертритон безпосередньо; скоріше, вони знайшли продукти його розпаду.

Читайте також:  Криптовіруси: нова загроза для здоров'я, яка вимагає ефективних заходів боротьби

Коли нестабільні частинки розпадаються, вони перетворюються на каскад частинок меншої маси.

Ось як це відбувається. Протони зіштовхуються у Великому адронному колайдері, в результаті чого вивільняється енергія, яка має шанс створити суп з частинок.

У цьому рідкісному випадку виникає гіпертритон або антигіпертритон, який пролітає близько 40 сантиметрів (16 дюймів) за 240 пікосекунд, перш ніж розпадається на антипротон і позитивно заряджену пару кварк-антикварк, яка називається піон.

Піон вилітає з ядра, але антипротон залишається в пастці всередині, перетворюючи антигіпертритон на антигелій.

На Великому адронному колайдері виявлено рідкісні "гіперядра"

Схема розпаду гіпертритона на ядро гелію і піон. (LCHb Collaboration)

Процес для гіпертритона відбувається так само, за винятком того, що гіперон розпадається на протон і негативно заряджений піон, а ядро перетворюється на звичайне ядро гелію.

Ці піони та ядра гелію/антигелію дослідники виявили в даних Великого адронного колайдера, використовуючи нову методику ідентифікації гелію, на яку колайдер спочатку не був розрахований. Вимірявши масу ядер, команда змогла простежити їх утворення до розпаду гіпертритонів і антигіпертритонів: близько 61 першого і 46 других.

Читайте також:  Фізики проводять наймасштабніший експеримент з парадоксом Ейнштейна-Подольського-Розена

Астрофізичні наслідки є захоплюючими. Вимірюючи, як антигелій утворюється і руйнується в космосі, фізики можуть краще оцінити, яка його кількість може досягти Землі. Це може підтвердити або спростувати можливе виявлення антигелію, яке було зроблено ще у 2018 році.

Відкриття пропонує нові засоби для дослідження властивостей гіпертритонів. Але дослідження має і ширші наслідки. За словами дослідників, метод виявлення гелію також дає фізикам новий інструмент для вивчення того, як кварки в баріонах утримуються разом.

Результати дослідження були представлені на конференції Європейського фізичного товариства з фізики високих енергій і будуть опубліковані в наступній статті.