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.

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.

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.

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.

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.

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.