RHIC’in Göreceli Ağır İyon Çarpıştırıcısında (erken Evrenin koşullarını yeniden yaratan bir “atomik hızlandırıcı”) altı milyar atom çarpışmasından elde edilen parçacık izlerini inceleyen bilim adamları, şimdiye kadar keşfedilen en ağır yeni bir antimadde çekirdeği türü keşfettiler.
Dört antimadde parçacığından (bir antiproton, iki antinötron ve bir antihiperon) oluşan bu egzotik antinükleilere antihiperhidrojen-4 adı veriliyor.
RHIC’in STAR İşbirliği üyeleri, çarpışmanın ayrıntılarını analiz etmek için parçacık dedektörlerini kullanarak keşifte bulundu. Sonuçları Nature dergisinde bildirdiler ve madde ile antimadde arasındaki farkları araştırmak için bu egzotik antipartikülleri nasıl kullandıklarını açıkladılar.
Yüksek lisans öğrencisi olan STAR araştırmacısı Junlin Wu şöyle konuştu: “Madde ve antimadde hakkındaki bilgimiz, zıt elektrik yüklerine sahip olmak dışında, antimaddenin maddeyle aynı özelliklere sahip olduğu; aynı kütleye, bozunmadan önceki aynı yaşam süresine ve aynı etkileşimlere sahip olduğudur.” Lanzhou Üniversitesi ve Çin’deki Modern Fizik Enstitüsü Ortak Nükleer Fizik Bölümü’nde.
Ancak evrenimiz antimaddeden değil maddeden oluşuyor, ancak her ikisinin de yaklaşık 14 milyar yıl önce Büyük Patlama sırasında eşit miktarlarda yaratıldığı düşünülüyor. Wu, “Maddenin evrenimize neden hakim olduğu hala bir soru ve tam cevabını bilmiyoruz” dedi.
ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) DOE’nin Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki nükleer fizik araştırma tesisi olan RHIC, antimaddeyi incelemek için iyi bir yerdir. Ağır iyonların (elektronlardan arındırılmış ve ışık hızına yakın bir hıza kadar hızlandırılmış atom çekirdekleri) çarpışmaları, iyonların tek tek protonlarının ve nötronlarının sınırlarını eritir.
Sonuçta ortaya çıkan, görünür maddenin temel yapı taşları olan serbest kuarklar ve gluonlardan oluşan çorbada depolanan enerji, binlerce yeni parçacık üretir. Ve erken Evren gibi, RHIC de neredeyse eşit miktarlarda madde ve antimadde üretiyor.
Bu parçacık çarpışmaları sonucu oluşan madde ve antimadde parçacıklarının özelliklerinin karşılaştırılması, modern dünyada dengeyi madde lehine çeviren bazı asimetrilere dair ipuçları sağlayabilir. “Madde-antimadde asimetrisini incelemek için ilk adım yeni antimadde parçacıkları keşfetmektir. Wu’nun IMP’deki danışmanı STAR fizikçisi Hao Qiu, çalışmanın temel mantığının bu olduğunu söyledi.
STAR fizikçileri daha önce RHIC çarpışmalarında oluşan antimaddeden oluşan çekirdekleri gözlemlemişti. 2010 yılında antihipertritonu keşfettiler. Bu, ilk kez bir antimadde çekirdeğinin, sıradan protonları ve nötronları oluşturan daha hafif “yukarı” ve “aşağı” kuarklardan ziyade, en az bir “garip” kuark içeren bir parçacık olan bir hiperon içermesiydi.
Ardından, yalnızca bir yıl sonra, Project STAR fizikçileri, helyum çekirdeğinin antimadde eşdeğerini keşfederek bu antimadde rekorunu kırdı: antihelyum-4.
Daha sonraki analizler antihiperhidrojen-4’ün de ulaşılabilir olabileceğini öne sürdü. Ancak onu bulmak nadir görülen bir olay olacaktır. Bu, dört bileşenin tamamının (bir antiproton, iki antinötron ve bir antilambda) RHIC çarpışmaları tarafından üretilen kuark-gluon çorbasından doğru yerde, aynı yönde ve doğru zamanda yayılmasını ve geçici olarak bağlı bir yapıda birleşmesini gerektirir. durum .
STAR işbirliğinin iki temsilcisinden biri olan Brookhaven Laboratuvarı fizikçisi Lijuan Ruan, “Bu dört kurucu parçacığın, bu antihipernükleus oluşturacak kadar birbirine yeterince yakın olan RHIC çarpışmalarından ortaya çıkması tamamen şans eseridir” dedi.
STAR fizikçileri, antihiperhidrojen-4’ü bulmak için bu kararsız antihipernükleusun bozunduğu parçacıkların izlerini inceledi. Bozunma ürünlerinden biri daha önce keşfedilen antihelyum-4 çekirdeği, diğeri ise pion (pi+) adı verilen pozitif yüklü basit bir parçacıktır.
Wu, “Antihelyum-4 zaten STAR’da tespit edildiğinden, bu olayları izole etmek için daha önce kullandığımız yöntemi kullandık ve daha sonra bu parçacıkları bulmak için pi+ izlerini kullanarak bunları yeniden yapılandırdık” dedi.
Yeniden yapılandırma derken, aynı koordinattan gelip gelmediklerini görmek için antihelyum-4 ve pi+ parçacıklarının yörüngelerini yeniden izlemeyi kastediyor. Ancak RHIC çarpışmaları çok fazla pion üretir. Bilim insanları, nadir antihipernükleusları bulmak için milyarlarca çarpışma olayını inceledi. Bir çarpışmadan kaynaklanan her antihelyum-4, yüzlerce hatta 1000 pi+ parçacığıyla ilişkilendirilebilir.
Önemli olan, iki parçacığın izlerinin belirli özelliklere sahip bir kesişme noktasına veya bozunma tepe noktasına sahip olduğu yerleri bulmaktı. Yani, bozunma tepe noktası, parçacıkların çarpışmasından hemen sonra oluşan bir antiparçacığın bozunmasından iki parçacığın ortaya çıkabilmesi için çarpışma noktasından yeterince uzakta olmalıdır.
STAR ekibi, diğer tüm potansiyel bozunma çifti ortaklarının geçmişini hariç tuttu. Sonuçta analizleri, tahmini arka plan sayısı 6,4 olan 22 aday olayı belirledi.
Görevi tüm bu olayları incelemek ve sinyal çıkarmak için kullanılan bilgisayar kodu üzerinde çalışmayı da içeren Kent State Üniversitesi’ndeki doktora öğrencisi Emily Duckworth, “Bu, antihiperhidrojen-4 bozunumlarına benzeyen yaklaşık altı tanesinin sadece rastgele gürültü olabileceği anlamına geliyor” dedi. . Bu arka planı 22’den çıkarmak, fizikçilere yaklaşık 16 gerçek antihiperhidrojen-4 çekirdeği keşfettikleri konusunda güven veriyor.
Sonuç, STAR ekibinin madde ve antimadde arasında bazı doğrudan karşılaştırmalar yapabilmesini sağlayacak kadar önemliydi. Antihiperhidrojen-4’ün ömrünü, aynı yapı taşlarına sahip sıradan madde formlarından oluşan hiperhidrojen-4’ün ömrüyle karşılaştırdılar. Ayrıca başka bir madde-antimadde çiftinin yaşam sürelerini de karşılaştırdılar: antihipertriton ve hipertriton. Hiçbiri önemli bir fark göstermedi ve bu da bilim adamlarını şaşırtmadı.
Deneylerin özellikle güçlü bir simetri biçimini test ettiğini açıkladılar. Fizikçiler genel olarak bu simetrinin kırılmasının son derece nadir olacağı ve Evrendeki madde ve antimadde dengesizliğine çözüm bulunamayacağı konusunda hemfikirdir.
“Eğer bir ihlal görürsek [этой конкретной] Duckworth, “simetri olsaydı, o zaman fizik hakkında bildiğimiz pek çok şeyi pencereden dışarı atmak zorunda kalırdık” dedi. Yani bu durumda simetrinin hala çalışıyor olması biraz teselli oldu. Ekip, sonuçların fizikçilerin modellerinin doğru olduğunu ve “antimaddenin deneysel çalışmasında ileriye doğru atılmış büyük bir adım” olduğunu doğruladığı konusunda hemfikirdi.
Bir sonraki adım, Duckworth’un yaptığı gibi, parçacıklar ve antiparçacıklar arasındaki kütle farkını ölçmektir.
