Chociaż temat antymaterii towarzyszy fizykom od niemal stulecia, przez większość czasu badano wyłącznie samodzielne antycząstki. Dopiero w XXI wieku naukowcom z CERN-u udało się uzyskać pierwszy atom antywodoru, a Amerykanie z Brookhaven Lab zaczęli wyłapywać pierwsze złożone antyjądra. Najnowszą zdobyczą tych ostatnich jest egzotyczne antyjądro, zawierające w sobie antyproton, antyhiperon oraz dwa antyneutrony.
Nowe badanie zostało przeprowadzone przez zespół obsługujący akcelerator Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), przy nowojorskim ośrodku Brookhaven National Laboratory. Interesujący obiekt zauważono podczas zderzeń wiązek ciężkich jonów w ramach eksperymentu STAR.
Wysokoenergetyczne kolizje jąder atomowych pozwalają przełamywać granice protonów i neutronów, dając kwarkom oraz gluonom szansę na komponowanie nowych układów. Jednym z takich nietypowych tworów jest hiperon, czyli nietrwała trójkwarkowa cząstka, zawierająca w sobie co najmniej jeden kwark dziwny. W tym konkretnym przypadku w jądrze pojawił się antyhiperon lambda (Λ), złożony z antykwarku dziwnego, antykwarku górnego i antykwarku dolnego.
Do tej pory tytuł najcięższego zaobserwowanego antyjądra należał do antyhelu-4, również odkrytego przez zespół RHIC-STAR. Ślady osiemnastu jąder antyhelu-4 (czyli cząstek anty-alfa) – zbudowanych z dwóch antyprotonów i dwóch antyneutronów – zauważono podczas zderzeń jonów złota w 2011 roku.
Zarówno antyhel-4, jak i antyhiperwodór-4 składają się z czterech antycząstek i mają niemal identyczną budowę oraz masę. Minimalną różnicę czyni antyhiperon, który jest odrobinę masywniejszy od antyprotonów i antyneutronów, wysuwając nowoodkryte antyjądro na prowadzenie.
Hiperjądra, a tym bardziej antyhiperjądra są skrajnie nietrwałe, a ich znalezienie wymaga odrobiny szczęścia. “To tylko przypadek, że te cztery cząstki składowe powstają w wyniku zderzeń RHIC na tyle blisko siebie, że mogą się połączyć i utworzyć antyhiperjądro” – tłumaczy Lijuan Ruan z Brookhaven Lab.
Kluczem było wypatrywanie charakterystycznych dla rozpadów antyhiperjąder pozostałości. Produktami takich reakcji są wspomniane jądra antyhelu-4 (ponieważ nietrwały antyhiperon błyskawicznie konwertuje w antyproton) oraz dodatnio naładowane mezony pi (piony+), złożone z par kwark górny-antykwark dolny.
Rekonstrukcja trajektorii jąder antyhelu-4 i cząstek pi+ pozwoliła potwierdzić, że wyłoniły się z jednego punktu. Problem polegał na tym, że podczas eksperymentu wysypuje się mnóstwo mezonów – nawet tysiąc na jedno jądro antyhelu-4. “Sztuka polegała na znalezieniu tych, w których dwa ślady mają punkt przecięcia, czyli wierzchołek rozpadu, o szczególnych cechach” – mówi Ruan.
Ostatecznie analiza ujawniła 22 zdarzenia świadczące o pojawieniu się antyhiperwodoru-4, z czego 16 to niemal pewni kandydaci, a pozostałe sześć sygnałów może być losowym szumem.
Badanie opisano w publikacji Observation of the antimatter hypernucleus zamieszczonej przez Nature. Omówienie odkrycia znajdziecie również na stronie Brookhaven National Laboratory.
