Új, minden eddiginél nehezebb egzotikus antianyag-atommagot fedeztek fel

A RHIC STAR együttműködés – amelynek az ELTE is hivatalos résztvevője – hatmilliárd részecskeütközést vizsgálva észlelte az egzotikus antirészecskéket. A felfedezés az anyag és az antianyag közötti különbségek megismerésében is segítheti a kutatókat.  

A Relativisztikus Nehézion-ütköztető (Relativistic Heavy Ion Collider , RHIC) – amely atommagok összeütköztetésével a korai világegyetem körülményeit rekonstruálja – STAR kísérlete hatmilliárd ütközést vizsgált, az ezekből származó részecskék nyomát tanulmányozva. Ebben az óriási mintában egy újfajta, az eddig észleltek közül a legnehezebb antianyag-atommagot fedeztek fel. A négy antianyag-részecskéből - egy antiprotonból, két antineutronból és egy úgynevezett antihiperonból (konkrétan antilambda-részecskéből) - álló egzotikus anti-atommagokat antihiper-hidrogén-4-nek nevezik.

A RHIC STAR együttműködésének tagjai úgy tették meg a felfedezést, hogy házméretű részecskeészlelő berendezésük segítségével elemezték az ütközésben keletkező nyomok részleteit. Eredményeikről a Nature folyóiratban számoltak be, ahol azt is bemutatták, hogy az egzotikus antirészecskéket az anyag és az antianyag közötti különbségek keresésére is lehet használni.

Az antihiper-hidrogén-4 - egy antiprotonból, két antineutronból és egy antilambda részecskéből álló antianyag hipernukleusz - művészi ábrázolása, amely két arany atommag ütközésével jött létre (balra). (Az ábra forrása: Kínai Modern Fizikai Intézet)

„Az anyagról és az antianyagról szóló fizikai ismereteink szerint az antianyagnak – az ellentétes töltést kivéve – ugyanazok a tulajdonságai, mint az anyagnak: ugyanaz a tömege, ugyanaz az élettartama, és ugyanazok a kölcsönhatásai” - mondta a STAR munkatársa, Csunlin Vu, a Lanzhou Egyetem és a Kínai Modern Fizikai Intézet közös Magfizikai Tanszékének doktorandusz hallgatója. A valóság azonban az, hogy a mi világegyetemünk inkább anyagból, mint antianyagból áll, noha a feltételezések szerint mindkettő azonos mennyiségben jött létre a mintegy 14 milliárd évvel ezelőtti ősrobbanás idején. „Hogy miért az anyag dominál az univerzumunkban, az még mindig kérdéses, és nem tudjuk a teljes választ” – mondta Vu.

A RHIC az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) Tudományos Hivatalának (Office of Science) magfizikai kutatásokat végző létesítménye Brookhaven Nemzeti Laboratóriumában, és kiváló hely az antianyag tanulmányozására. Nehézionok – elektronjaiktól megfosztott és közel fénysebességre gyorsított atommagok – ütközéseivel az alkotóelemek (protonok és neutronok) megolvadnak. Az így keletkező kvarkok és gluonok – a látható anyag legalapvetőbb építőkövei – levesében lerakódott energia új részecskék ezreit hozza létre. A korai világegyetemhez hasonlóan a RHIC is közel azonos mennyiségben termel anyagot és antianyagot. Az anyag és az antianyag részecskék jellemzőinek összehasonlítása, amelyek e részecskeszétvágások során keletkeztek, nyomokat adhat valamilyen aszimmetriára, amely a mai világban az anyag létezése felé billentette a mérleg nyelvét.

"Az atommagokat is összetartó, felépítésüket meghatározó erős kölcsönhatás kutatása nagy részecskegyorsítóknál végezhető, mint amilyen a RHIC vagy a genfi SPS és LHC, vagy a Németországban épülő FAIR. A helyzet az elektromosság XIX. századi kutatásához, megértéséhez, illetve végül alkalmazásához hasonló. Jelenleg egyre jobban értjük ezt a kölcsönhatást is, a felhalmozott tudásnak pedig az orvoslástól az anyagtudományig sokféle alkalmazása van már most is" - fogalmazott Csanád Máté egyetemi  tanár, a STAR-ELTE kutatócsoport vezetője.

Az ELTE a STAR együttműködés hivatalos résztvevője, a STAR-ELTE kutatócsoport a Fizikai Intézetben, az Atomfizikai Tanszéken működik, a Tématerületi Kiválósági Program Asztro- és Részecskefizikai Tématerületén belül. A STAR kísérletben való részvételt ezen kívül jelenleg az NKFIH OTKA K-138136 és a PD-146589 projektek támogatják.

A kutatócsoport tagjai személyesen is részt vesznek az adatok felvételében, mindemellett az ELTE kutatóinak fontos feladata az adatok elemzése, különös tekintettel femtoszkópiai mérésekre;

Csanád Máté pedig a kísérlet adatarchiválásának irányítója is volt, jelenleg pedig az együttműködés meghívott előadásait koordináló bizottság tagja.

 

Nehéz antianyag kimutatása

„Az anyag-antianyag aszimmetria tanulmányozásához az első lépés az új antianyag-részecskék felfedezése - mondta Hao Qiu STAR-fizikus, Vu témavezetője az IMP-nél. - Ez az alapvető logika áll a tanulmány mögött.”

A STAR fizikusai korábban már megfigyeltek RHIC-ütközésekben keletkezett antianyagból álló atommagokat: például 2010-ben kimutatták az antihipertritont. Ez volt az első olyan antianyag-mag, amely hiperont tartalmazott, azaz olyan részecskét, amely legalább egy „furcsa” kvarkot tartalmaz, nem pedig csak a könnyebb „fel” és „le” kvarkokat, amelyek a közönséges protonokat és neutronokat alkotják. Ez után, alig egy évvel később a STAR fizikusai megdöntötték ezt a nehézsúlyú antianyag-rekordot azzal, hogy kimutatták a héliummag antianyag megfelelőjét: az antihélium-4-et.

Ez arra utalt, hogy az antihiper-hidrogén-4 is elérhető közelségbe kerülhet. De ennek az instabil részecskének a kimutatása – ahol az antihélium egyik protonja helyett egy antihiperon (pontosabban egy antilambda részecske) hozzáadása ismét megelőzné a nehézsúlyú rekordtartót – igencsak valószínűtlennek tűnt. Ehhez mind a négy komponensnek – egy antiproton, két antineutron és egy antilambda – a RHIC-ütközésekben keletkező kvark-gluon levesből éppen a megfelelő helyen, ugyanabba az irányba és a megfelelő időben kellene kilépnie ahhoz, hogy egy ideiglenesen kötött állapotba tömörüljün.

„Csak a véletlen műve, hogy ez a négy alkotórészecske a RHIC egy-egy ütközésében elég közel kerül egymáshoz ahhoz, hogy egyesülni tudjanak, és létrehozzák ezt az antiatommagot” - mondta Lijuan Ruan, a Brookhaveni Nemzeti Laboratórium fizikusa, a STAR együttműködés két társvezetője közül az egyik.

 

Tű a pion-kazalban

Az antihiperhidrogén-4 megtalálásához a STAR fizikusai azoknak a részecskéknek a nyomát vizsgálták meg, amelyekre ez az instabil antiatommag szétbomlik. Az egyik ilyen bomlástermék a korábban felfedezett antihélium-4 atommag; a másik egy egyszerű pozitív töltésű részecske, az úgynevezett pion.

„Mivel az antihélium-4-et már felfedezték a STAR-ban, ugyanazt a módszert használtuk, amit korábban is, hogy megtaláljuk a megfelelő az ütközési eseményeket, és rekonstruáljuk bennük a keresett antiatommagot” - mondta Vu.

A rekonstruálás alatt azt érti, hogy az antihélium-4 és pion részecskék pályáját követik vissza, hogy kiderüljön, egyetlen pontból jöttek-e ki. A RHIC-beli ütközésekben azonban a pion leggyakoribb részecske, rengeteg keletkezik belőle. És ahhoz, hogy megtalálják a ritka antihiper-atommagokat, a tudósok több milliárd ütközéses eseményt szűrtek át! Minden egyes, antihélium-4 magot tartalmazó ütközésben több száz vagy akár ezer pion is lehetett.

„A kulcs az volt, hogy megtaláljuk azokat az eseményeket, ahol a két részecskepálya keresztezési pontja (az antihélium-4 részecskéé és a pioné) különleges jellemzőkkel bír” - mondta Ruan. Vagyis ennek a keresztezési pontnak elég messze kell lennie az eredeti ütközési ponttól ahhoz, hogy a két részecske egy antihiper-atommag bomlásából származhasson, amely közvetlenül az ütközés után keletkezett a tűzgömbben eredetileg létrejövő részecskékből.

A STAR együttműködés keményen dolgozott azon, hogy kizárja az összes többi lehetséges véletlen kombinációból adódó hátterét. Elemzésük végül 22 jelölt eseményt tárt fel, a becsült háttérszám 6,4 volt.

„Ez azt jelenti, hogy azok közül, amelyek antihiperhidrogén-4 bomlásának tűnnek, körülbelül hat lehet, hogy csak véletlenszerű zaj” - mondta Emilie Duckworth, a Kent State University doktorandusza, akinek feladata az összes ilyen esemény átvizsgálására és a jelek kiszűrésére használt kód írása és működésének biztosítása volt.

Ha ezt a hátteret levonjuk a 22-ből, a fizikusok biztosak lehetnek abban, hogy körülbelül 16 valódi antihiperhidrogén-4 atommagot észleltek.

Az eddig felfedezett antirészecskék egy válogatása, az ismert antianyag-atommagokkal. (Az ábra forrása a STAR tudományos közleménye.)

 

Anyag-antianyag összehasonlítás

Az eredmény elég jelentős volt ahhoz, hogy a STAR együttműködés közvetlen anyag-antianyag összehasonlítást végezzen.

Összehasonlították az antihiper-hidrogén-4 élettartamát a hiper-hidrogén-4 élettartamával, amely ugyanezen építőelemek hétköznapi anyagú változataiból áll. Összehasonlították egy másik anyag-antianyag páros élettartamát is: az antihipertritonét és a hipertritonét. Egyik sem mutatott jelentős különbséget, ami nem lepte meg a tudósokat. Ezek a kísérletek a szimmetria egy különösen erős formájának tesztjét jelentik. A fizikusok általában egyetértenek abban, hogy e szimmetria megsértése rendkívül ritka lenne, és ez hordozza a választ az univerzum anyag-antianyag aszimmetriájára. „Ha [ennek a bizonyos] szimmetriának a megsértését látnánk, akkor igen sok mindent el kellene felejtenünk abból, amit a fizikáról tudunk” - mondta Duckworth.

Ebben az esetben tehát megnyugtató volt, hogy a szimmetria még mindig működik. A csapat egyetértett abban, hogy az eredmények tovább erősítették, hogy a fizikusok modelljei helyesek, és „nagy előrelépést jelentenek az antianyaggal kapcsolatos kísérleti kutatásban”.

A következő lépés a részecskék és az antirészecskék közötti tömegkülönbség mérése lesz, amit Emilie Duckworth folytat majd.

 

További információ

A BNL közleménye: https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=121912

A STAR tudományos publikációja: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07823-0