Детектор ЭЛИС. Кредит: ЦЕРН

Международная коллаборация ALICE на Большом адронном коллайдере (LHC) только что выпустила самые точные на сегодняшний день измерения двух свойств гиперядра, которые могут существовать в ядрах нейтронных звезд.

Атомные ядра и их аналоги из антивещества, известные как антиядра, часто образуются на БАК в результате высокоэнергетических столкновений между тяжелыми ионами или протонами. На менее частой, но все же регулярной основе также образуются нестабильные ядра, называемые гиперядрами. В отличие от обычных ядер, состоящих только из протонов и нейтронов (то есть нуклонов), гиперядра тоже состоят из гиперонов — нестабильных частиц , содержащих кварки странного типа.

Спустя почти 70 лет после того, как они были впервые обнаружены в космических лучах , гиперядра продолжают очаровывать физиков, потому что они редко образуются в естественном мире и, хотя их традиционно изготавливают и изучают в экспериментах по ядерной физике низких энергий, чрезвычайно сложно измерить их характеристики.

На БАК гиперядра рождаются в значительных количествах при столкновениях тяжелых ионов, но пока что единственным наблюдаемым на коллайдере гиперядром является легчайшее гиперядро, гипертритон, который состоит из протона, нейтрона и лямбда — гиперона, содержащего один странный кварк.

В своем новом исследовании команда ALICE изучила образец из примерно тысячи гипертритонов, образовавшихся в результате столкновений свинца со свинцом, которые произошли на БАК во время его второго запуска. После образования в этих столкновениях гипертритоны пролетают несколько сантиметров внутри эксперимента ALICE, прежде чем распадаются на две частицы, ядро ​​гелия-3 и заряженный пион, которые детекторы ALICE могут уловить и идентифицировать. Команда ALICE исследовала эти дочерние частицы и следы, которые они оставляют в детекторах.

Измерения времени жизни гипертритона, выполненные различными методами с течением времени, включая новое измерение ALICE (красный). Горизонтальные линии и прямоугольники обозначают статистическую и систематическую неопределенности соответственно. Штрихпунктирные линии представляют различные теоретические предсказания. Кредит: сотрудничество ALICE

Анализируя эту выборку гипертритонов, одну из крупнейших доступных для этих «странных» ядер, исследователи ALICE смогли получить самые точные измерения двух свойств гипертритона: его времени жизни (сколько времени требуется для распада) и энергия, необходимая для отделения его гиперона, лямбды, от остальных составляющих.

Эти два свойства являются фундаментальными для понимания внутренней структуры этого гиперядра и, как следствие, природы сильного взаимодействия, связывающего воедино нуклоны и гипероны. Изучение этой силы не только интересно само по себе, но и может дать ценную информацию о взаимодействиях частиц, которые могут иметь место во внутренних ядрах нейтронных звезд. Предполагается, что эти очень плотные ядра будут способствовать созданию гиперонов, а не чисто нуклонной материи.

Новые измерения ALICE показывают, что взаимодействие между гипероном гипертритона и его двумя нуклонами чрезвычайно слабое: энергия разделения лямбда составляет всего несколько десятков килоэлектронвольт, что аналогично энергии рентгеновских лучей, используемых в медицинской визуализации, а время жизни гипертритона составляет совместим с бесплатным Lambda.

Кроме того, поскольку вещество и антивещество производятся на БАК почти в равных количествах, коллаборация ALICE также смогла изучить антигипертритоны и определить их время жизни. Команда обнаружила, что в пределах экспериментальной неопределенности измерений антигипертритон и гипертритон имеют одинаковое время жизни. Обнаружение даже небольшой разницы между двумя временами жизни может сигнализировать о нарушении фундаментальной симметрии природы, СРТ-симметрии.

С данными третьего запуска LHC, который всерьез начался в июле этого года, ALICE не только продолжит дальнейшее изучение свойств гипертритона, но и расширит свои исследования, включив в них более тяжелые гиперядра.