На шаг ближе к темной материи: ученые зафиксировали тяжелую античастицу — антигиперводород-4

Международная команда физиков зарегистрировала самые тяжелые антиядра из всех когда-либо наблюдавшихся. Эти открытия могут внести вклад в поиски темной материи в глубоких уголках космоса.

В 1928 году британский физик Поль Дирак предложил теорию, которая, несмотря на успешное объяснение поведения электронов, предполагала существование электронов с отрицательной энергией. Это вызвало вопросы о стабильности Вселенной, как мы ее понимаем. Впоследствии ученые предложили альтернативу — антиматерию, представляющую собой двойники обычных частиц, но с противоположным зарядом. В 1932 году были обнаружены первые античастицы, а позже подтвердилось, что для всех фундаментальных частиц существуют свои антиподы.

Согласно теории, если существуют антиатомы, то должны существовать и антипланеты, и антигалактики. Большой взрыв должен был породить равное количество материи и антиматерии, однако наблюдения показывают явный перевес материи.

Исследования, проведенные на установке STAR, одной из ключевых экспериментов на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории США, помогают прояснить многие вопросы, связанные с антиматерией. В этих экспериментах атомные ядра сталкиваются с огромной скоростью, создавая условия, аналогичные первым мгновениям после Большого взрыва. При этом рождаются сотни новых частиц, которые STAR фиксирует, анализируя их «следы» в магнитном поле, чтобы определить их тип и свойства.

В природе ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Однако в лабораторных условиях можно создать гиперядра, в которых один из нейтронов заменен гипероном — более тяжелой частицей. В эксперименте STAR удалось зафиксировать антигиперядро — самое тяжелое ядро антиматерии, когда-либо обнаруженное. Оно состоит из двух антинейтронов, одного антипротона и антигиперона, образуя антигиперводород-4. Из миллиардов частиц, зафиксированных за годы экспериментов, удалось найти лишь 16 ядер антигиперводорода-4, что подтверждает редкость их появления.

Сравнение гиперядер с их антиматериальными аналогами показало, что они имеют идентичные периоды жизни и массы — это подтверждает теорию Дирака. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Антиматерия тесно связана с темной материей, которая, как показывают наблюдения, в пять раз превосходит по массе обычную материю, но остаётся недоступной для прямого обнаружения. Некоторые теории предполагают, что при столкновении частиц темной материи происходит их аннигиляция с образованием материи и антиматерии. Это может привести к появлению антигелия, за которым наблюдает эксперимент Alpha Magnetic Spectrometer на борту Международной космической станции.

Данные эксперимента STAR позволят уточнить теоретические модели и лучше понять, сколько антиматерии возникает при столкновении частиц обычной материи.

Источник: Ученые пронаблюдали редкую тяжелую античастицу — антигиперводород-4 — Naked Science