Cientistas analisam seis bilhões de colisões de partículas e detectam aproximadamente 16 partículas ‘anti-hiper-hidrogênio-4’
Por DOE/Laboratório Nacional de Brookhaven, com infomações de Science Daily.
Cientistas que estudam os rastros de partículas fluindo de seis bilhões de colisões de núcleos atômicos no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) — um “esmagador de átomos” que recria as condições do universo primitivo — descobriram um novo tipo de núcleo de antimatéria, o mais pesado já detectado. Composto de quatro partículas de antimatéria — um antipróton, dois antinêutrons e um anti-hiperon — esses antinúcleos exóticos são conhecidos como anti-hiper-hidrogênio-4.
Membros da Colaboração STAR do RHIC fizeram a descoberta usando seu detector de partículas do tamanho de uma casa para analisar detalhes dos detritos da colisão. Eles relatam seus resultados no periódico Nature e explicam como já usaram essas antipartículas exóticas para procurar diferenças entre matéria e antimatéria.
“Nosso conhecimento de física sobre matéria e antimatéria é que, exceto por ter cargas elétricas opostas, a antimatéria tem as mesmas propriedades da matéria — mesma massa, mesma vida útil antes de decair e mesmas interações”, disse o colaborador do STAR Junlin Wu, um estudante de pós-graduação no Departamento Conjunto de Física Nuclear, Universidade de Lanzhou e Instituto de Física Moderna, China. Mas a realidade é que nosso universo é feito de matéria em vez de antimatéria, embora se acredite que ambos tenham sido criados em quantidades iguais na época do Big Bang, há cerca de 14 bilhões de anos.
“Por que nosso universo é dominado pela matéria ainda é uma questão, e não sabemos a resposta completa”, disse Wu.
RHIC, uma instalação de usuário do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Office of Science para pesquisa em física nuclear no Laboratório Nacional Brookhaven do DOE, é um bom lugar para estudar antimatéria. Suas colisões de íons pesados — núcleos atômicos que foram despojados de seus elétrons e acelerados perto da velocidade da luz — derretem os limites dos prótons e nêutrons individuais dos íons. A energia depositada na sopa resultante de quarks e glúons livres, os blocos de construção mais fundamentais da matéria visível, gera milhares de novas partículas. E como o universo primitivo, RHIC produz matéria e antimatéria em quantidades quase iguais. Comparar características de partículas de matéria e antimatéria geradas nessas colisões de partículas pode oferecer pistas para alguma assimetria que desequilibrou a balança a favor da existência da matéria no mundo de hoje.
Detectando antimatéria pesada
“Para estudar a assimetria matéria-antimatéria, o primeiro passo é descobrir novas partículas de antimatéria”, disse o físico do STAR Hao Qiu, conselheiro de Wu no IMP. “Essa é a lógica básica por trás deste estudo.”
Os físicos do STAR já haviam observado núcleos feitos de antimatéria criados em colisões RHIC. Em 2010, eles detectaram o anti-hipertriton. Esta foi a primeira instância de um núcleo de antimatéria contendo um hiperon, que é uma partícula contendo pelo menos um quark “estranho” em vez de apenas os quarks mais leves “up” e “down” que compõem prótons e nêutrons comuns. Então, apenas um ano depois, os físicos do STAR derrubaram esse recorde de antimatéria de peso pesado ao detectar o equivalente de antimatéria do núcleo de hélio: antihélio-4.
Uma análise mais recente sugeriu que o anti-hiper-hidrogênio-4 também pode estar ao alcance. Mas detectar esse anti-hipernúcleo instável — onde a adição de um anti-hiperon (especificamente uma partícula antilambda) no lugar de um dos prótons no anti-hélio superaria o recordista de peso mais uma vez — seria um evento raro. Exigiria que todos os quatro componentes — um antipróton, dois antinêutrons e um antilambda — fossem emitidos da sopa quark-gluon gerada em colisões RHIC no lugar certo, indo na mesma direção e no momento certo para se aglutinarem em um estado temporariamente ligado.
“É apenas por acaso que essas quatro partículas constituintes emergem das colisões RHIC próximas o suficiente para que possam se combinar e formar esse anti-hipernúcleo”, disse o físico do Laboratório Brookhaven, Lijuan Ruan, um dos dois co-porta-vozes da Colaboração STAR.
Agulha em uma pilha de “pi”
Para encontrar o anti-hiper-hidrogênio-4, os físicos do STAR observaram os rastros das partículas nas quais esse anti-hipernúcleo instável decai. Um desses produtos de decaimento é o núcleo anti-hélio-4 detectado anteriormente; o outro é uma partícula simples carregada positivamente chamada píon (pi + ).
“Como o antihélio-4 já foi descoberto no STAR, usamos o mesmo método usado anteriormente para capturar esses eventos e então os reconstruímos com trilhas pi + para encontrar essas partículas”, disse Wu.
Por reconstruir, ele quer dizer refazer as trajetórias das partículas antihélio-4 e pi + para ver se elas emergiram de um único ponto. Mas colisões RHIC produzem muitos píons. E para encontrar os raros anti-hipernúcleos, os cientistas estavam peneirando bilhões de eventos de colisão! Cada antihélio-4 emergindo de uma colisão poderia ser pareado com centenas ou até 1.000 partículas pi + .
“A chave era encontrar aquelas em que as duas trilhas de partículas têm um ponto de cruzamento, ou vértice de decaimento, com características particulares”, disse Ruan. Ou seja, o vértice de decaimento tem que estar longe o suficiente do ponto de colisão para que as duas partículas possam ter se originado do decaimento de um anti-hipernúcleo formado logo após a colisão de partículas inicialmente geradas na bola de fogo.
A equipe STAR trabalhou duro para descartar o histórico de todos os outros potenciais parceiros de pares de decaimento. No final, sua análise revelou 22 eventos candidatos com uma contagem de histórico estimada de 6,4.
“Isso significa que cerca de seis dos que parecem decaimentos do anti-hiper-hidrogênio-4 podem ser apenas ruído aleatório”, disse Emilie Duckworth, uma estudante de doutorado na Kent State University cujo papel era garantir que o código de computador usado para analisar todos esses eventos e selecionar os sinais fosse escrito corretamente.
Subtrair esse fundo de 22 dá aos físicos a confiança de que detectaram cerca de 16 núcleos anti-hiper-hidrogênio-4 reais.
Comparação matéria-antimatéria
O resultado foi significativo o suficiente para que a equipe do STAR fizesse algumas comparações diretas entre matéria e antimatéria.
Eles compararam o tempo de vida do anti-hiper-hidrogênio-4 com o do hiper-hidrogênio-4, que é feito de variedades de matéria comum dos mesmos blocos de construção. Eles também compararam os tempos de vida de outro par de matéria-antimatéria: o anti-hipertriton e o hipertriton.
Nenhum deles apresentou diferença significativa, o que não surpreendeu os cientistas.
Os experimentos, eles explicaram, eram um teste de uma forma particularmente forte de simetria. Os físicos geralmente concordam que uma violação dessa simetria seria extremamente rara e não conteria a resposta para o desequilíbrio matéria-antimatéria no universo.
“Se víssemos uma violação dessa simetria [em particular], basicamente teríamos que jogar muito do que sabemos sobre física pela janela”, disse Duckworth.
Então, neste caso, foi meio reconfortante que a simetria ainda funcionasse. A equipe concordou que os resultados confirmaram ainda mais que os modelos dos físicos estão corretos e são “um grande passo à frente na pesquisa experimental sobre antimatéria”.
O próximo passo será medir a diferença de massa entre as partículas e antipartículas, o que Duckworth, que foi selecionado em 2022 para receber financiamento do programa de Pesquisa de Pós-Graduação do Departamento de Ciências do DOE, está realizando.
Este trabalho foi apoiado pelo DOE Office of Science, a US National Science Foundation e uma série de agências e organizações internacionais listadas no artigo científico. Os pesquisadores fizeram uso de recursos de computação no Scientific Data and Computing Center no Brookhaven Lab, no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) no Lawrence Berkeley National Laboratory do DOE e no consórcio Open Science Grid. O NERSC é outra instalação de usuário do DOE Office of Science.
Fonte da história:
Materiais fornecidos pelo DOE/Brookhaven National Laboratory . Nota: O conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e comprimento.
Referência do periódico :
STAR Collaboration. Observation of the Antimatter Hypernucleus 4/(anti)Λ(anti)H. Nature, 2024 DOI: 10.1038/s41586-024-07823-0
Sensacional Descoberta !