«Существенный шаг вперед»: физик Владимир Петров об открытии самого тяжелого гиперядра антиматерии

Самое тяжелое среди известных на сегодняшний день гиперядро антиматерии — антигиперводород-4 — обнаружили ученые во время экспериментов на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в США. Новость об открытии можно прочитать на нашем портале. Каково значение этого события в мире науки? Что мы знаем и что хотим узнать об антивеществе? Об этом «Научной России» рассказал исполняющий обязанности руководителя отдела теоретической физики Института физики высоких энергий им. А.А. Логунова НИЦ «Курчатовский институт», доктор физико-математических наук Владимир Алексеевич Петров.

Гиперядро — система из связанных между собой сильным взаимодействием протонов, нейтронов и одной либо нескольких элементарных частиц, называемых гиперонами. Как несложно догадаться, гиперядра антиматерии отличаются от своих «отражений» тем, что состоят из античастиц: антипротонов, антинейтронов и антигиперонов.

Напомним, что в конце августа 2024 г. группа исследователей, представляющих 70 институтов и университетов Америки, Азии и Европы и объединенная в эксперименте STAR, опубликовала в журнале Nature статью, в которой осветила открытие самого тяжелого известного науке гиперядра антиматерии, обнаруженного во время экспериментов на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в г. Брукхейвен (США). Разгоняя пучки тяжелых ионов почти до скорости света, эта система частично имитирует условия, царившие во Вселенной спустя микросекунды после Большого Взрыва. В результате столкновений в коллайдере формируются «огненные шары» с температурой в несколько триллионов градусов, примерно в равном соотношении содержащие материю и антиматерию. Далее эта раскаленная масса стремительно расширяется и остывает — при этом большому количеству антивещества удается избежать аннигиляции с обычной материей. «Сбежавшие» частицы обнаруживает детекторный комплекс STAR. С помощью этой установки проводятся одноименные эксперименты, цель которых — выявить причину наблюдаемой во Вселенной барионной асимметрии (преобладания вещества над антивеществом), которая до сих пор определена не до конца.

«Существенный шаг вперед»: физик Владимир Петров об открытии самого тяжелого гиперядра антиматерии

Исполняющий обязанности руководителя отдела теоретической физики Института физики высоких энергий им. А.А. Логунова НИЦ «Курчатовский институт», доктор физико-математических наук Владимир Алексеевич Петров.

Фото: Николай Малахин / «Научная Россия»

 

«Безусловно, это редкое событие, потребовавшее огромного труда экспериментаторов, — прокомментировал открытие Владимир Алексеевич Петров. С точки зрения теории, рождение вещества и антивещества в малых масштабах (не более 10-13 см) одинаково возможно. Асимметрия наблюдается уже в макро- и мегамире. Выяснение того, почему это происходит, остается предметом исследований, призванных определить, где и как начинается асимметрия, и очень далеких от завершения. И в этом отношении открытие нового гиперядра антиматерии — антигиперводорода-4 — существенный шаг вперед. Добавлю, что “воссоздание условий первых мгновений существования Вселенной” в ускорителе — это, скорее, привлекательный штамп, поскольку условия в начале эволюции были много сложнее, так как вместе с материей рождались и сами формы ее существования, то есть пространство и время».

Антигиперводород-4 состоит из одного антипротона (p̅), двух антинейтронов () и одного анти-лямбда-гиперона (Λ̅). Из-за того, что анти-лямбда-гиперон нестабилен, это гиперядро быстро распадается, успев пролететь всего несколько сантиметров. Масса антигиперводорода-4 побила рекорд, установленный открытым в 2011 г. антигелием-4, состоящим из двух антипротонов и двух антинейтронов. Различие объясняется просто: «на месте» одного из антипротонов в новом гиперядре стоит превосходящий его по массе анти-лямбда-гиперон.

Чем интересны лямбда-гипероны и как они были открыты?

«Как известно, атомные ядра имеющихся в природе элементов состоят из протонов и нейтронов, что было установлено известным советским физиком-теоретиком Дмитрием Дмитриевичем Иваненко еще в 1932 г. В том же году лауреат Нобелевской премии и один из основателей квантовой механики Вернер Карл Гейзенберг показал, что протон и нейтрон можно рассматривать как два состояния одной частицы — бариона, — объяснил В.А. Петров. — В 1951 г. была открыта новая частица, обладающая свойствами бариона, но отличающаяся от протона и нейтрона бóльшей массой и вдобавок обладающая некоторым новым квантовым числом, получившим название “странность”. Этому бариону дали имя “лямбда-гиперон” (Λ-гиперон). Два года спустя обнаружилось, что лямбда-гиперон может связываться с протонами и нейтронами, образуя легкие ядра и гиперядра, такие как гипертритий (состоит из протона, нейтрона и Λ-гиперона) или гипергелий (включает протон, два нейтрона и Λ-гиперон). Эти открытия положили начало новому направлению в ядерной физике, позволяя изучать ранее не исследованный тип взаимодействий — между нуклонами и гиперонами».

Во время работы на RHIC ученые определяли присутствие антигиперводорода-4 в ускорителе по продуктам его распада: антигелию-4 и π+ -мезону. Перед физиками стояла непростая задача — отследить траектории всех частиц этих двух видов и выделить из них единичные случаи, соответствующие разложению гиперядра: когда антигелий-4 и π+ -мезон «вылетали» из одной точки на достаточном расстоянии от места столкновения ионов. Учитывая, что во время эксперимента в коллайдере возникало огромное количество частиц, на каждый антигелий-4 могло приходиться до тысячи π+ -мезонов!

В результате скрупулезного анализа ученые выделили 22 события, потенциально соответствующие распаду антигиперводорода-4. Согласно оценкам, фоновый счет («ложные» сигналы, вызываемые не присутствием реальных частиц, а «фоновым шумом») во время испытаний составил 6,4. Это позволило исследователям заключить, что им удалось обнаружить около 16 гиперядер антиматерии нового типа.

Проведя дополнительное исследование, физики сравнили время жизни антигиперводорода-4 и его «двойника» из материи — гиперводорода-4 — и не обнаружили существенных различий. Аналогичный результат дало сопоставление этого показателя у другой пары гиперядер-«двойников» — гипертрития и антигипертрития. Это стало еще одним важным подтверждением симметрии вещества и антивещества.

Следующий шаг, запланированный исследователями, — оценка различий между массой частиц и соответствующих им античастиц, которая позволит получить новые знания о симметрии материи и антиматерии.

«Масса частиц в подобных экспериментах определяется по известным энергиям и импульсам продуктов распада, — пояснил Владимир Алексеевич Петров. — С точки зрения теории это не очень трудно, однако достаточно точно измерить характеристики данных продуктов на практике — крайне сложная задача. В основе самих вычислений лежит знаменитая формула E=mc2».

С чего начинались исследования антиматерии и что известно науке об «антимире» на сегодняшний день? В.А. Петров провел для нас небольшой экскурс в историю изучения антивещества.

«В 1928 г. еще один основатель квантовой механики и будущий нобелевский лауреат Пол Дирак открыл релятивистское уравнение для описания волновой функции электрона, — рассказал профессор. — Оказалось, что это уравнение содержит и описание положительно заряженной частицы, в остальном идентичной электрону. Длительные дебаты о смысле второго решения завершились с открытием Карлом Андерсоном в 1932 г. “положительного электрона” (современное название — позитрон). С тех пор в физике частиц стало непреложным фактом наличие у каждой частицы партнера — “античастицы”, отличающейся от нее только знаком, зарядом и, возможно, другим квантовым числом. В ряде случаев — например, если речь идет о фотоне — частица идентична своей античастице».

Последующие фундаментальные открытия не заставили себя долго ждать.

«В 1955 г. Эмилио Джино Сегре и Оуэном Чемберленом был открыт первый антибарион — антипротон, год спустя Брюсом Корком — антинейтрон, и, наконец, в 1965 г. Леоном Максом Ледерманом — первое антиядро — антидейтерий (состоящий из антипротона и антинейтрона). Эти открытия были сделаны в США, — продолжил Владимир Алексеевич Петров. — Следующий шаг сделали в 1970 г. советские ученые под руководством академика Юрия Дмитриевича Прокошкина: на самом мощном для той эпохи ускорителе в Протвино под Москвой были обнаружены ядра антигелия-3 (два антипротона и антинейтрон), а затем — ядра антитрития (антипротон и два антинейтрона). Далее настала пора и гиперядер: ученые открыли антигиперядра с одним анти-лямбда-гипероном и двумя антибарионами.

И, наконец, в конце 2023 г., был объявлен новый результат: в эксперименте STAR на коллайдере релятивистских тяжелых ионов RHIC было обнаружено гиперядро антигиперводорода-4, состоящее из анти-лямбда-гиперона, антипротона и двух антинейтронов».

В заключение В.А. Петров поделился размышлениями о взаимодействии материи и антиматерии. Могут ли «столкнуться» мир и «антимир» в результате экспериментов?

«Тема “антимира” настолько интересная, что даже вдохновила известного поэта Андрея Вознесенского дать такое название своему (впрочем, довольно ерническому) стихотворению “Антимиры”, — отметил исследователь. — Здесь есть большой простор для фантазии. Представим, что вдруг во Вселенной окажется равное количество материи и антиматерии… К счастью, а, может, и к сожалению, антивещество — “штучный товар”, и в обсуждаемом эксперименте в среднем наблюдалось всего около 15 ядер антигиперводорода. Так что речь о создании антимира, который вдруг проаннигилирует с нами, здесь не идет. При этом необходимо еще раз подчеркнуть, что данное открытие — новый и бесценный вклад в наше понимание ядерных сил и их роли во Вселенной».

Источники

Nature. STAR Collaboration. Observation of the antimatter hypernucleus antihyperhydrogen-4

ScienceDaily. DOE/Brookhaven National Laboratory. New heaviest exotic antimatter nucleus

Chinese Academy of Sciences. Liu Fang, Liu Jia. Physicists Discover Heaviest Antimatter Hypernucleus to Date

Источник изображения на превью и главной странице: sakkmesterke / фотобанк 123RF. 

Фото в тексте: Николай Малахин / «Научная Россия». 

Источник: scientificrussia.ru