Прецизионные измерения показывают, что энергия связи, удерживающая вместе компоненты простейшего ядра «странной материи», известного как «гипертритон», больше, чем полученная в предыдущих, менее точных экспериментах. Новое значение может иметь важные астрофизические последствия для понимания свойств нейтронных звезд, где, по прогнозам, обычным явлением является присутствие частиц, содержащих так называемые «странные» кварки.
Второе измерение было поиском разницы между массой гипертритона и его аналога из антивещества, антигипертритона (первое ядро, содержащее кварк-антистран, обнаруженное на RHIC в 2010 году). Физики никогда не находили разницы в массе между партнерами материи и антивещества, поэтому увидеть ее было бы большим открытием.
Это будет свидетельством нарушения "CPT" – одновременного нарушения трех фундаментальных симметрий в природе, относящихся к инверсии заряда, четности (зеркальной симметрии) и времени.
«Физики видели нарушение четности и нарушение CP вместе (каждый из них получил Нобелевскую премию для Brookhaven Lab [-], но никогда не видел CPT», – сказал физик из Брукхейвена Чжанбу Сюй, со-спикер эксперимента RHIC STAR, где проводилось исследование гипертритона. сделано.
Но никто не искал нарушения CPT в гипертритоне и антигипертритоне, сказал он, «потому что никто еще не мог."
Предыдущий CPT-тест самого тяжелого ядра был выполнен коллаборацией ALICE на Европейском Большом адронном коллайдере (LHC) с измерением разницы масс между обычным гелием-3 и антигелием-3. Результат, не показывающий существенной разницы, был опубликован в журнале Nature Physics в 2015 году.
Предупреждение о спойлере: результаты STAR также не показывают значительной разницы в массе между партнерами материя-антивещество, исследованными в RHIC, поэтому до сих пор нет доказательств нарушения CPT.
Но тот факт, что физики STAR могли даже проводить измерения, является свидетельством замечательных возможностей их детектора.
Странное дело
Простейшие ядра нормальной материи содержат только протоны и нейтроны, причем каждая из этих частиц состоит из обычных «верхних» и «нижних» кварков. В гипертритонах один нейтрон заменяется частицей, называемой лямбда, которая содержит один странный кварк вместе с обычными верхними и нижними разновидностями.
Такие странные замены вещества обычны в сверхплотных условиях, создаваемых столкновениями RHIC, а также вероятны в ядрах нейтронных звезд, где одна чайная ложка вещества будет весить более 1 миллиарда тонн. Это потому, что высокая плотность делает менее затратным с точки зрения энергии создание странных кварков, чем обычные верхние и нижние разновидности.
По этой причине столкновения с RHIC дают физикам-ядерщикам возможность вглядываться в субатомные взаимодействия в далеких звездных объектах, даже не покидая Земли. И поскольку коллизии RHIC создают гипертритоны и антигипертритоны в почти равных количествах, они также предлагают способ поиска нарушения CPT.
Но найти эти редкие частицы среди тысяч, которые текут от каждого столкновения частиц RHIC – со столкновениями, происходящими тысячи раз в секунду – является сложной задачей. Добавьте к этому тот факт, что эти нестабильные частицы распадаются почти сразу после образования – в пределах сантиметров от центра четырехметрового детектора STAR.
Обнаружение точности
К счастью, компоненты детектора, добавленные в STAR для отслеживания различных видов частиц, упростили поиск. Эти компоненты, называемые «трекером тяжелого вкуса», расположены очень близко к центру детектора STAR. Они были разработаны и созданы группой сотрудников STAR под руководством ученых и инженеров Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США (Лаборатория Беркли).
Эти внутренние компоненты позволяют ученым сопоставлять треки, созданные продуктами распада каждого гипертритона и антигипертритона, с их точкой происхождения сразу за пределами зоны столкновения.
«Мы ищем« дочерние »частицы – продукты распада, которые поражают компоненты детектора на внешних границах STAR», – сказал физик из лаборатории Беркли Синь Донг.
Идентификация треков пар или троек дочерних частиц, которые происходят из одной точки сразу за пределами зоны первичного столкновения, позволяет ученым выделять эти сигналы из моря других частиц, исходящих от каждого столкновения RHIC.
«Затем мы вычисляем импульс каждой дочерней частицы от одного распада (на основе того, насколько они изгибаются в магнитном поле STAR), и исходя из этого мы можем восстановить их массы и массу родительской частицы гипертритона или антигипертритона до того, как она распалась», – пояснил Деклан Кин из Кентского государственного университета (KSU). Он добавил, что отличить гипертритон от антигипертритона легко, потому что они распадаются на разных дочерей.
«Команда Кина, в том числе Ираклий Чакеберия, специализируется на отслеживании этих частиц с помощью детекторов, чтобы« соединить точки », – сказал Сюй. «Они также предоставили столь необходимую визуализацию событий."
Как уже отмечалось, сбор данных по множеству столкновений не выявил разницы в массах гиперядер вещества и антивещества, поэтому в этих результатах нет никаких доказательств нарушения CPT.
Но когда физики STAR посмотрели на свои результаты для энергии связи гипертритона, они оказались больше, чем предыдущие измерения 1970-х годов.
Физики STAR получили энергию связи, вычтя их значение массы гипертритона из объединенных известных масс его составляющих частиц: дейтрона (связанное состояние протона и нейтрона) и одной лямбды.
«Гипертритон весит меньше, чем сумма его частей, потому что некоторая часть этой массы преобразуется в энергию, связывающую три нуклона вместе», – сказал сотрудник STAR Фуданского университета Цзиньхуи Чен, чей аспирант Пэн Лю проанализировал большие наборы данных для прийти к этим результатам. «Эта энергия связи на самом деле является мерой силы этих взаимодействий, поэтому наше новое измерение может иметь важные последствия для понимания« уравнения состояния »нейтронных звезд», – добавил он.
Например, в модельных расчетах масса и структура нейтронной звезды зависят от силы этих взаимодействий. «Существует большой интерес к пониманию того, чем эти взаимодействия – форма сильного взаимодействия – различаются между обычными нуклонами и странными нуклонами, содержащими верхние, нижние и странные кварки», – сказал Чен. "Поскольку эти гиперядра содержат одну лямбду, это один из лучших способов сравнения с теоретическими предсказаниями. Это сводит проблему к простейшей форме."