Это означает, что Большой адронный коллайдер (БАК), самый мощный из когда-либо построенных ускорителей частиц, дал ученым возможность заглянуть в условия, существовавшие, когда Вселенной было меньше секунды. Частица антиматерии является партнером массивной частицы материи под названием гипергелий-4, и ее открытие может помочь ученым разгадать загадку, почему обычная материя стала доминировать во Вселенной, несмотря на то, что материя и антиматерия были созданы в равных количествах на заре времен.
Этот дисбаланс известен как «асимметрия материи и антиматерии». Частицы материи и антиматерии аннигилируют при контакте, высвобождая свою энергию обратно в космос. Из этого следует, что если бы дисбаланс между ними не возник на ранних этапах развития Вселенной, то космос мог бы быть гораздо более пустым и менее интересным местом.
БАК не чужд открытий, меняющих парадигмы о ранней Вселенной. БАК, расположенный в 17-мильной (27-километровой) петле под Альпами вблизи Женевы (Швейцария), наиболее известен тем, что на нем была открыта частица бозон Хиггса — «посланник» поля Хиггса, ответственного за придание другим частицам их массы на заре времен.
Столкновения, происходящие на БАКе, порождают состояние материи, называемое «кварк-глюонной плазмой». Это плотное море плазмы похоже на «первобытный суп» из материи, заполнивший Вселенную примерно через одну миллионную долю секунды после Большого взрыва.
Из этой кварк-глюонной плазмы появляются экзотические «гиперядра» и их аналоги из антиматерии, позволяющие ученым заглянуть в условия ранней Вселенной.
ALICE сквозь зазеркалье
Гиперядра содержат протоны и нейтроны, как обычные атомные ядра, а также нестабильные частицы, называемые «гиперонами». Как и протоны и нейтроны, гипероны состоят из фундаментальных частиц, называемых «кварками». В то время как протоны и нейтроны содержат два типа кварков, известных как восходящие и нисходящие кварки, гипероны содержат один или несколько так называемых «странных кварков».
Гиперядра были впервые обнаружены в космических лучах — ливнях заряженных частиц, которые обрушиваются на Землю из глубокого космоса около семи десятилетий назад. Однако они редко встречаются в природе, их трудно создать и изучить в лаборатории. Это делает их несколько загадочными.
Открытие первого свидетельства существования гиперядра, которое является антивещественным аналогом гипергелия-4, было сделано на детекторе ALICE БАК.
В то время как большинство из девяти экспериментов на БАКе, каждый со своим детектором, получают результаты путем столкновения протонов со скоростью, близкой к скорости света, коллаборация ALICE создает кварк-глюонную плазму путем столкновения гораздо более тяжелых частиц, обычно ядер свинца, или «ионов».
Столкновение ионов железа (попробуйте сказать это десять раз быстро) идеально подходит для образования значительного количества гиперядер. Однако до недавнего времени ученым, занимающимся столкновениями тяжелых ионов, удавалось наблюдать только самое легкое гиперядро, гипертритон, и его партнера из антиматерии, антигипертритон.
Так было до 2024 года, когда на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Нью-Йорке ученые обнаружили антигиперводород-4, состоящий из антипротона, двух антинейтронов и кварксодержащей частицы под названием «антилямбда».
Вслед за этим ALICE обнаружил более тяжелую антигиперядерную частицу, антигипергелий-4, состоящую из двух антипротонов, антинейтрона и антилямбды.
Столкновение свинца со свинцом и данные ALICE, которые привели к обнаружению самого тяжелого гиперядра антиматерии на БАКе, на самом деле относятся к 2018 году.
Подпись антигиперэлемента-4 была обнаружена благодаря его распаду на другие частицы и обнаружению этих частиц.
Ученые ALICE выделили сигнатуру антигипергелия-4 из данных с помощью метода машинного обучения, который превосходит обычные поисковые методы коллаборации.
Помимо обнаружения признаков антигипергелия-4 и антигиперводорода-4, команда ALICE также смогла определить их массы, которые оказались в хорошем согласии с современными теориями физики частиц.
Ученые также смогли определить количество этих частиц, образующихся при столкновениях свинца со свинцом.
Они пришли к выводу, что эти цифры согласуются с данными ALICE, которые указывают на то, что антиматерия и материя образуются в равных количествах из кварк-глюонной плазмы, получаемой на тех уровнях энергии, которых способен достичь БАК.
Причина дисбаланса материи и антиматерии во Вселенной остается неизвестной, но антигипергелий-4 и антигиперводород-4 могут стать важными ключами к разгадке этой тайны.
Исследование антиматерии и ее свойств может не только пролить свет на ранние этапы Вселенной, но и открыть новые горизонты в физике частиц. Одним из направлений, которое привлекает особое внимание ученых, является возможность создания устойчивых форм антиматерии, которые могли бы использоваться в будущем в новых технологиях или даже в области энергетики.
Дополнительные эксперименты будут сосредоточены на глубоком изучении антипартнеров гиперядра и их взаимодействий. Исследования, подобные тем, которые проводит коллаборация ALICE, могут помочь выяснить, как антиматерия ведет себя в различных условиях и какие законы физики могут изменяться при взаимодействии с материей.
Одной из потенциально интересных областей является соединение антиматерии с темой квантовой гравитации. Некоторые теории предсказывают, что антиматерия может взаимодействовать с гравитацией иначе, чем материя. Это открытие могло бы дать ответ на несколько ключевых вопросов о природе гравитации и ее роли в масштабах Вселенной.
Тем не менее, работа с антиматерией — это не только теория, но и практически значимые вызовы. Создание, захват и хранение антиматерии — это задачи, требующие высокотехнологичного оборудования и значительных энергетических затрат. Каждая единица антиматерии стоит миллиарды долларов в производстве, что ставит перед учеными проблемы как экономического, так и практического характера.
Тем не менее, недавние открытия и успехи, достигнутые на БАК, подчеркивают важность дальнейшего изучения антиматерии. Оборудование и экспериментальные установки, такие как ALICE, предоставляют уникальные возможности для детального анализа и понимания этих загадочных частиц. В этом контексте дальнейшее сотрудничество между различными научными учреждениями и программами станет ключом к разгадке тайны асимметрии материи и антиматерии, предлагая новый взгляд на то, как развивалась вселенная с момента своего зарождения.
С каждым новым экспериментом мы приближаемся к ответам на старые вопросы, и, возможно, вскоре сможем понять, почему мир, в котором мы живем, состоял в основном из материи, а не антиматерии, открывая двери к новым направлениям в физике и космологии.
