Kollisionen zwischen schweren Ionen am Large Hadron Collider (LHC) erzeugen Quark-Gluon-Plasma, einen heißen und dichten Materiezustand, der vermutlich etwa eine Millionstel Sekunde nach dem Urknall das Universum gefüllt hat. Schwerionenkollisionen schaffen auch geeignete Bedingungen für die Produktion von Atomkernen und exotischen Hyperkernen sowie ihrer Antimaterie-Gegenstücke, Antikerne und Antihyperkerne.
Messungen dieser Materieformen sind für verschiedene Zwecke wichtig, unter anderem für das Verständnis der Bildung von Hadronen aus den Quarks und Gluonen des Plasmas und der im heutigen Universum beobachteten Materie-Antimaterie-Asymmetrie.
Hyperkerne sind exotische Kerne, die aus einer Mischung von Protonen, Neutronen und Hyperonen bestehen. Letztere sind instabile Teilchen, die ein oder mehrere Quarks des seltsamen Typs enthalten. Mehr als 70 Jahre nach ihrer Entdeckung in der kosmischen Strahlung üben Hyperkerne nach wie vor eine Quelle der Faszination für Physiker aus, da sie in der Natur selten vorkommen und es eine Herausforderung ist, sie im Labor herzustellen und zu untersuchen.
Bei Schwerionenkollisionen werden Hyperkerne in erheblichen Mengen erzeugt, doch bis vor Kurzem waren es nur die leichtesten Hyperkerne, Hypertritonund sein Antimaterie-Partner, Antihypertritonwurden beobachtet. Ein Hypertriton besteht aus einem Proton, einem Neutron und einem Lambda (einem Hyperon, das ein seltsames Quark enthält). Ein Antihypertriton besteht aus einem Antiproton, einem Antineutron und einem Antilambda.
Im Anschluss an eine Beobachtung von Antihyperwasserstoff-4 (einem gebundenen Zustand eines Antiprotons, zweier Antineutronen und eines Antilambda), die Anfang des Jahres von der STAR-Kollaboration am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) gemeldet wurde, wurde die ALICE-Kollaboration am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) durchgeführt Am LHC wurden nun erstmals Hinweise auf Antihyperhelium-4 gefunden, das aus zwei Antiprotonen besteht, einem Antineutron und einem Antilambda.
Das Ergebnis hat eine Signifikanz von 3,5 Standardabweichungen und stellt außerdem den ersten Beweis für den bislang schwersten Antimaterie-Hyperkern am LHC dar. Die Ergebnisse sind gepostet zum arXiv Preprint-Server.
Die ALICE-Messung basiert auf Blei-Blei-Kollisionsdaten aus dem Jahr 2018 bei einer Energie von 5,02 Teraelektronenvolt (TeV) für jedes kollidierende Nukleonenpaar (Protonen und Neutronen). Mithilfe einer Technik des maschinellen Lernens, die herkömmliche Suchtechniken für Hyperkerne übertrifft, untersuchten die ALICE-Forscher die Daten nach Signalen von Hyperwasserstoff-4, Hyperhelium-4 und ihren Antimaterie-Partnern.
Kandidaten für (Anti-)Hyperwasserstoff-4 wurden durch die Suche nach dem (Anti-)Helium-4-Kern und dem geladenen Pion, in das es zerfällt, identifiziert, während Kandidaten für (Anti-)Hyperhelium-4 durch seinen Zerfall in ein (Anti-)Helium identifiziert wurden -3-Kern, ein (Anti-)Proton und ein geladenes Pion.
Das ALICE-Team fand nicht nur Hinweise auf Antihyperhelium-4 mit einer Signifikanz von 3,5 Standardabweichungen sowie Hinweise auf Antihyperwasserstoff-4 mit einer Signifikanz von 4,5 Standardabweichungen, sondern maß auch die Produktionsausbeuten und Massen beider Hyperkerne.
Für beide Hyperkerne sind die gemessenen Massen mit den aktuellen Weltdurchschnittswerten kompatibel. Die gemessenen Produktionsausbeuten wurden mit Vorhersagen des statistischen Hadronisierungsmodells verglichen, das eine gute Beschreibung der Bildung von Hadronen und Kernen bei Schwerionenkollisionen liefert.
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Dieser Vergleich zeigt, dass die Vorhersagen des Modells gut mit den Daten übereinstimmen, wenn sowohl angeregte hypernukleare Zustände als auch Grundzustände in die Vorhersagen einbezogen werden. Die Ergebnisse bestätigen, dass das statistische Hadronisierungsmodell auch die Entstehung von Hyperkernen gut beschreiben kann, das sind kompakte Objekte mit einer Größe von etwa 2 Femtometern (1 Femtometer entspricht 10-15 Metern).
Die Forscher bestimmten auch die Antiteilchen-zu-Teilchen-Ausbeuteverhältnisse für beide Hyperkerne und stellten fest, dass sie innerhalb der experimentellen Unsicherheiten mit Eins übereinstimmen. Diese Vereinbarung steht im Einklang mit ALICEs Beobachtung der gleichen Produktion von Materie und Antimaterie bei LHC-Energien und trägt zur laufenden Forschung zum Materie-Antimaterie-Ungleichgewicht im Universum bei.
Weitere Informationen:
Erste Messung von A = 4 (Anti-)Hyperkernen am LHC, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2410.17769