БАК заглянул в антимир глубже прежнего: Обнаружена самая массивная частица антиматерии в истории

Представьте себе мир, где всё наоборот. Где плюс стал минусом, а горячее — холодным. Звучит как научная фантастика? Отчасти. Но во Вселенной действительно существует «зеркальное отражение» нашей привычной материи — антиматерия. И недавно физики на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН сделали шаг к пониманию этого загадочного антимира, обнаружив самую тяжелую частицу антиматерии из когда-либо виденных — антигипергелий-4.

Звучит сложно? Давайте разберёмся. Это не просто очередной рекорд в гонке научных открытий, а маленькое окно в фундаментальные тайны мироздания.

Зеркальный мир в коллайдере? Не совсем, но близко

Что вообще такое антиматерия? Если упростить, то у каждой частицы обычной материи (как протон или электрон) есть античастица-близнец с той же массой, но противоположным зарядом и некоторыми другими квантовыми свойствами. Антипротон — это как протон, но с отрицательным зарядом. Позитрон — как электрон, но с положительным.

Когда частица встречается со своей античастицей, они аннигилируют — исчезают во вспышке энергии. Именно поэтому антиматерия так редка в нашей Вселенной: она просто не уживается с обычной материей, которой вокруг нас полно.

Но физики научились создавать античастицы искусственно, сталкивая обычные частицы на огромных скоростях в коллайдерах вроде БАК. Иногда, в этом хаосе рождаются не просто отдельные античастицы, а целые «антиатомы» — ядра из антипротонов и антинейтронов. И вот тут команда эксперимента ALICE на БАК пошла еще дальше.

Что за «странный» зверь — этот антигипергелий?

Обнаруженный антигипергелий-4 — это не просто антиматериальная версия ядра гелия (которое состоит из двух протонов и двух нейтронов). В его составе, помимо антипротонов и антинейтронов, есть еще и антигиперон.

А что такое гиперон? Это уже экзотика даже для мира обычной материи. Гипероны — это частицы, похожие на протоны и нейтроны, но содержащие как минимум один так называемый странный кварк. Да, физики — те еще выдумщики на названия! Кварки — это фундаментальные «кирпичики», из которых состоят протоны, нейтроны и многие другие частицы. «Странность» — это просто одно из квантовых свойств, таких как заряд или спин.

Частицы со «странностью» интересны сами по себе. Их трудно получить, они быстро распадаются, и мы до сих пор не до конца понимаем их роль в природе. Есть гипотезы, что гипероны могут существовать в экстремальных условиях, например, в невероятно плотных ядрах нейтронных звезд — остатках взорвавшихся гигантских звезд.

Так вот, антигипергелий-4 — это ядро, собранное из античастиц, одна из которых (антигиперон) является «зеркальным отражением» этой самой экзотической частицы со странным кварком. Представляете, насколько это редкая и необычная штука? До этого было известно лишь два других антигиперядра. Открытие ALICE — третье в этом эксклюзивном клубе.

Соревнование гигантов и научная кухня

Интересный момент: раньше в деле обнаружения рекордных античастиц лидировала американская коллаборация STAR на коллайдере RHIC. Как выразился один из немецких физиков, Хорст Штёккер, «эти ребята из STAR всегда их [команду БАК] опережали». Но в этот раз удача улыбнулась европейцам в ЦЕРН. Это своего рода научная гонка, которая подстегивает исследователей по всему миру.

Конечно, чтобы «увидеть» такую экзотическую частицу, недостаточно просто смотреть в окуляр. Команда Беньямина Дёнигуса проанализировала гигантские объемы данных с детектора ALICE за 2018 год, используя алгоритмы машинного обучения. Именно умные программы помогли вычленить среди триллионов следов от столкновений ионы свинца те самые несколько событий, которые указывали на рождение антигипергелия-4.

Стоит оговориться: статистическая значимость открытия — 3,5 сигма. В физике частиц «золотым стандартом» считается 5 сигма, что практически исключает случайность. 3,5 сигма — это очень сильное указание, высокая вероятность, что открытие реально, но для полной уверенности нужны дополнительные данные. Тем не менее, это уже серьезная заявка.

Привет из первых микросекунд Вселенной

Зачем вообще физикам нужны эти странные анти-конструкции? Дело не только в любопытстве или спортивном интересе.

1. Понять антиматерию: Мы до сих пор не знаем, почему наша Вселенная состоит почти исключительно из материи, хотя при Большом взрыве, по идее, материи и антиматерии должно было родиться поровну. Куда делась вся антиматерия? Изучая свойства античастиц и их взаимодействия (например, как антигиперон «уживается» с антипротонами и антинейтронами в ядре), мы ищем ответы на этот фундаментальный вопрос.
2. Заглянуть внутрь нейтронных звезд: Понимание того, как ведут себя гипероны (и их античастицы), может пролить свет на состав и свойства сверхплотного вещества внутри нейтронных звезд. Это как лабораторный эксперимент для астрофизики.
3. Проверить законы физики в экстремальных условиях: Столкновения тяжелых ионов на БАК на краткий миг воссоздают условия, царившие во Вселенной спустя миллионные доли секунды после Большого взрыва. Это был «первозданный суп» из кварков и глюонов (частиц-переносчиков сильного взаимодействия). Наблюдая, какие частицы и античастицы рождаются из этого «супа», физики тестируют и уточняют Стандартную модель — нашу лучшую на сегодня теорию о фундаментальных частицах и силах.

Что дальше?

Открытие антигипергелия-4 — это важный шаг, но далеко не конец пути. Команда ALICE и другие физики на БАК и других ускорителях продолжат охоту за еще более тяжелыми и экзотическими формами антиматерии. Каждое такое открытие — это не просто строчка в таблице рекордов, а новый фрагмент пазла в нашем понимании того, как устроена Вселенная на самом фундаментальном уровне.

Так что в следующий раз, когда услышите новости с Большого адронного коллайдера, помните: там, глубоко под землей, ученые не просто сталкивают частицы. Они пытаются разгадать тайну нашего существования, заглядывая в зеркальный мир антиматерии и в самое начало времен. И кто знает, какие еще «странные» открытия ждут нас впереди?