Антиматерия — зеркальное отражение обычной материи. Каждая ее частица имеет противоположный заряд, но идентичную массу. Когда материя и антиматерия сталкиваются, они аннигилируют, выделяя энергию. Предполагается, что после Большого взрыва обе формы должны были возникнуть в равных количествах, но сегодня Вселенная состоит почти целиком из материи. Куда исчезла антиматерия — одна из главных загадок науки.
Эксперименты с антиматерией крайне сложны. Ее получают в ускорителях частиц, сталкивая тяжелые ионы на околосветовых скоростях. В 2024 году коллаборация STAR на коллайдере RHIC (США) синтезировала антигиперводород-4 — ядро антиматерии с четырьмя античастицами: одного антипротона, двух антинейтронов и одного антигиперона (бариона, содержащего странный кварк). На тот момент это было самое тяжелое ядро антиматерии из когда-либо найденных. Но теперь команда ЦЕРН превзошла этот результат.
На Большом адронном коллайдере (БАК) ученые зафиксировали следы антигипергелия-4 — антиматерии с четырьмя антинуклонами. Об этом сообщил немецкий физик Бенджамин Денигус (Benjamin Dönigus) из Университета имени Гете во Франкфурте. Он отметил, что это первый случай, когда европейская команда опередила конкурентов из США. В скором времени научная статья с выводами исследователей будет опубликована в журнале Physical Review Letters.
БАК обнаружил два ключа к разгадке тайны дисбаланса материи и антиматерии
Открытие сделано на основе данных, полученных еще в 2018 году с помощью детектора ALICE. Этот прибор специально создан для изучения столкновений тяжелых ионов. Ученые использовали методы машинного обучения, чтобы отсеять шум и вычленить нужные сигналы. Результат оказался статистически значимым — 3,5 сигма. До «золотого стандарта» физики в пять сигм не дотянули, но вероятность ошибки крайне мала.
Антигипергелий-4 — это антиядро, состоящее из антипротонов, антинейтронов и гиперонов — экзотических частиц, содержащих «странные» кварки. Последние редко встречаются в природе и до конца не изучены. Их поведение до сих пор не до конца понятно, особенно в условиях, далеких от земных. Физики предполагают, что гипероны могут присутствовать внутри нейтронных звезд, где материя сжата до предела.
Поль Дирак — человек, который изменил физику
Открытие важно еще и потому, что условия внутри ускорителя имитируют состояние Вселенной всего через миллионную долю секунды после Большого взрыва. Предполагается, что в этот момент все существовало в виде «горячего супа» из элементарных частиц, и любое новое антиядро, рожденное в таких условиях, дает подсказки о балансе материи и антиматерии в начале времени.
Зачем это нужно? Потому что физики до сих пор не знают, почему во Вселенной почти нет антиматерии. Если во время Большого взрыва материя и антиматерия появились в равных количествах, они должны были полностью уничтожить друг друга. Но Вселенная существует. Значит, где-то нарушилось равновесие. И каждая новая частица, которую ученые находят в коллайдерах, — это еще один ключ к разгадке этой тайны.
До сих пор ученым удавалось зафиксировать всего два ядра антиматерии. Первые два обнаружили за последние пятнадцать лет. Теперь к ним добавился антигипергелий-4. Ученые из команды ALICE уже строят планы на будущее. Они хотят искать еще более тяжелые антиядра.