Прорывные антивещества помогают в исследовании неуловимой темной материи
Международная группа ученых открыла самый тяжелый антиматериальный ядерный nucleus, когда-либо зарегистрированный в эксперименте. Это открытие может пролить свет на загадочный поиск темной материи, существование которой предсказано, но не доказано.
Антиматерия долгие годы ставит перед учеными загадки. Теоретически считается, что во время Большого взрыва было создано равное количество антиматерии и "обычной" материи. Однако антиматерия почти не существует в сегодняшней Вселенной. Команда из коллаборации STAR пытается разрешить эту загадку, проводя эксперименты с помощью ускорителя частиц Брукхейвенской национальной лаборатории в США. В этих экспериментах они обнаружили самый тяжелый антиматериальный ядерный nucleus на данный момент, как они подробно описали в исследовании, опубликованном в "Nature". Главные авторы исследования представляют Институт современной физики (ИМФ) Китайской академии наук.
Создание условий, подобных Большому взрыву
Когда золотые атомные ядра сталкиваются почти со скоростью света в ускорителе частиц, воспроизводятся те же экстремальные температуры и давления, которые присутствовали во Вселенной в моменты после Большого взрыва. Во время каждого столкновения производится тысячи новых частиц материи и антиматерии.
Хотя материя и антиматерия состоят из одних и тех же фундаментальных компонентов, частицы обладают противоположными электрическими зарядами. Например, электроны имеют отрицательный заряд, в то время как их античастицы, позитроны, имеют положительный заряд.
Миллиарды столкновений, сотни открытий
Команда коллаборации STAR объяснила, что они запустили около шести миллиардов золотых атомных ядер для своего эксперимента, согласно "Мир физики". Когда частицы проходили через газ в магнитном поле, они оставляли после себя обнаруживаемые следы разной толщины, как объясняется в "Разговоре". Эти следы изгибались в магнитном поле, при этом антиматерия двигалась в одном направлении, а материя - в противоположном.
Открытый nucleus получил название антигипертритий-4. Он состоит из антипротона, двух антинейтронов и антигиперона, подобно типичному ядерному nucleus с тремя нейтронами, но с одним, замененным гипероном, что делает его тяжелее. То же самое верно и для антиматерии, что приводит к открытию самого тяжелого и необычного nucleus на данный момент.
Учитывая редкие условия, необходимые для слияния античастиц в антигипертритий-4, исследователи нашли всего 16 таких атомных nucleus.
Исследователи также изучили продолжительность жизни антигипертрития-4 по сравнению с его "обычным" материальным аналогом, гипертритием-4. Они не обнаружили никакой разницы.
Этот результат поддерживает установленные физические модели, которые предсказывают, что частицы материи и антиматерии уничтожают друг друга, оставляя после себя излучение, когда они сталкиваются. Однако это открытие не объясняет происхождение "асимметрии". Согласно этим моделям, материя и антиматерия должны были полностью уничтожить друг друга после Большого взрыва.
Данные для исследований темной материи
Однако открытие коллаборации STAR может помочь разрешить еще большую загадку: тайну темной материи. Ее существование можно только предполагать по ее влиянию на движение звезд и галактик. Например, плотность массы в центре спиральных галактик выше, чем у краев. При такой плотности орбитальные скорости звезд должны уменьшаться по направлению к краям, но они не уменьшаются. Это свидетельствует о наличии невидимой материи, ответственной за эти расхождения.
Ученые оценивают, что более 80% общей массы Вселенной состоит из темной материи. Несмотря на ее значительную роль в формировании нашей Вселенной, ее состав остается неизвестным.
Эксперименты на Международной космической станции (МКС), такие как альфа-магнитный спектрометр (АМС), стремятся пролить свет на темную материю. АМС ищет высокоэнергетические частицы из космоса с помощью сильного магнита, чтобы изгибать их траектории. Как и в ускорителе частиц, частицы материи и антиматерии движутся в противоположных направлениях.
АМС особенно интересуется антигелием, который некоторые теории предсказывают, что он производится при столкновении частиц темной материи. Такая же реакция может происходить, когда высокоэнергетическое космическое излучение взаимодействует с материей.
Чтобы отличить между космическими и земными источниками антигелия, эксперимент в исследовательском центре ЦЕРН с использованием ускорителя частиц уже предоставил ценные данные. Сollision протонов (основных компонентов космического излучения) и свинцовых атомов с высокой скоростью определила вероятность создания ядер антигелия-3, что позволяет отличать между этими возможными источниками антигелия и прослеживать их потенциальные области происхождения.
Коллаборация STAR, используя ускоритель частиц Брукхейвенской национальной лаборатории, провела эксперименты, в которых золотые атомные ядра сталкивались. Эти эксперименты включают ускорители частиц и другие приборы, воспроизводящие условия, подобные Большому взрыву, и производя большое количество частиц материи и антиматерии.
Самый тяжелый антиматериальный ядерный nucleus, открытый в исследовании, антигипертритий-4, был создан из этих столкновений. Ускоритель частиц и связанные с ним приборы сыграли решающую роль в создании экстремальных температур и давлений, необходимых для образования этого редкого nucleus.
