Измерения энергии связи и масс «гипертритонов» и «антигипертритонов» на RHIC исследуют взаимодействия «странной материи» и ищут свидетельства нарушения CPT-инвариантности

Новые результаты, полученные с помощью детекторов частиц на коллайдере тяжелых ионов (RHIC), дают новое представление о взаимодействиях частиц, происходящих в ядрах нейтронных звезд, и дают физикам новый способ поиска нарушений фундаментальных симметрий во Вселенной. Статья, описывающая исследование, опубликована в Nature Physics.

Прецизионные измерения показывают, что энергия связи, удерживающая вместе компоненты самого простого ядра «странной материи», известного как «гипертритон», больше, чем полученная в предыдущих, менее точных экспериментах. Новое значение может иметь важные астрофизические значения для понимания свойств нейтронных звезд, где, по прогнозам, распространено присутствие частиц, содержащих так называемые «странные» кварки.

Вторым измерением был поиск разницы между массой гипертритона и его аналога антиматерии, антигипертритона (первое ядро, содержащее антистранный кварк, обнаруженный на RHIC в 2010 году).

Физики никогда не находили массовых различий между партнерами по материи и антивеществу, поэтому увидеть их было бы большим открытием. Это было бы свидетельством нарушения «CPT-инвариантности» – одновременного нарушения трех фундаментальных симметрий в природе, относящихся к инверсии заряда, четности (зеркальной симметрии) и времени.

Предыдущий тест CPT для самого тяжелого ядра был выполнен коллаборацией ALICE на Большом адронном коллайдере (БАК) с измерением разницы масс между обычным гелием-3 и антигелием-3. Результат, не показывающий существенных различий, был опубликован в журнале Nature Physics в 2015 году.

Результаты STAR также не выявили существенной разницы в массе между партнерами по веществу-антивеществу, исследованными на RHIC, поэтому до сих пор нет доказательств нарушения CPT. Но тот факт, что физики STAR могли проводить измерения, является свидетельством замечательных возможностей их детектора.

Странное дело

Простейшие ядра нормальной материи содержат только протоны и нейтроны, причем каждая из этих частиц состоит из обычных «верхних» и «нижних» кварков. В гипертритонах один нейтрон заменяется частицей, называемой лямбда (лямбда-гиперон), которая содержит один странный кварк наряду с обычными верхними и нижними.

Такие замены распространены в сверхплотных условиях, создаваемых при столкновениях RHIC, а также, вероятно, в ядрах нейтронных звезд, где одна чайная ложка вещества будет весить более 1 миллиарда тонн. Это потому, что высокая плотность делает менее затратным по энергии создание странных кварков, чем обычные верхние и нижние.

По этой причине столкновения RHIC дают физикам-ядерщикам возможность заглянуть в субатомные взаимодействия внутри далеких звездных объектов, даже не покидая Землю. И поскольку столкновения RHIC создают гипертритоны и антигипертритоны в почти равных количествах, они также предлагают способ поиска нарушения СРТ.

Но найти эти редкие частицы среди тысяч, которые вытекают из каждого столкновения частиц RHIC – а столкновения происходят тысячи раз в секунду – задача непростая. Добавьте к этому тот факт, что эти нестабильные частицы распадаются почти сразу же после образования – в пределах нескольких сантиметров от центра четырехметрового детектора STAR.

Heavy Flavor Tracker в центре детектора STAR © Brookhaven National Laboratory

Точность обнаружения

К счастью, компоненты детектора, добавленные в STAR для отслеживания различных видов частиц, сделали поиск относительно легким. Эти компоненты, называемые «Heavy-Flavor Tracker», расположены очень близко к центру детектора STAR.

Эти внутренние компоненты позволяют ученым сопоставлять треки, созданные продуктами распада каждого гипертритона и антигипертритона, с их точкой происхождения, находящейся за пределами зоны столкновения.

«Мы ищем «дочерние» частицы – продукты распада, которые ударяют компоненты детектора на внешних краях STAR, – говорят ученые. Идентификация следов пар или триплетов дочерних частиц, которые происходят из единственной точки, находящейся за пределами первичной зоны столкновения, позволяет ученым выделять эти сигналы из моря других частиц, вытекающих из каждого столкновения RHIC.

«Затем мы вычисляем импульс каждой дочерней частицы по одному распаду (основываясь на том, насколько они изгибаются в магнитном поле STAR), и из этого мы можем восстановить их массы и массу родительской частицы гипертритона или антигипертритона до того, как она распадется». Различить гипертритон и антигипертритон легко, потому что они распадаются на разные дочерние частицы, объясняют ученые.

Как уже отмечалось, сбор данных о многих столкновениях не выявил различий в массе между гиперядрами вещества и антивещества, поэтому в этих результатах нет свидетельств нарушения CPT.

Но когда физики из STAR посмотрели на свои результаты для энергии связи гипертритона, она оказалась больше, чем обнаружили предыдущие измерения 1970-х годов.

Физики STAR получили энергию связи, вычитая их значение для массы гипертритона из объединенных известных масс его частиц строительного блока: дейтрона (связанное состояние протона и нейтрона) и одной лямбды.

«Гипертритон весит меньше, чем сумма его частей, потому что часть этой массы преобразуется в энергию, которая связывает три нуклона вместе», – говорят ученые. «Эта энергия связи действительно является мерой силы этих взаимодействий, поэтому наше новое измерение может иметь важные последствия для понимания «уравнения состояния» нейтронных звезд».

Например, в модельных расчетах масса и структура нейтронной звезды зависят от силы этих взаимодействий. «Существует большой интерес к пониманию того, как эти взаимодействия – форма сильной силы – отличаются между обычными нуклонами и странными нуклонами, содержащими верхние, нижние и странные кварки».

«Поскольку эти гиперядры содержат одну лямбду, это один из лучших способов сравнения с теоретическими предсказаниями. Он сводит проблему к ее простейшей форме» – объясняют физики.

Measurement of the mass difference and the binding energy of the hypertriton and antihypertriton, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038/s41567-020-0799-7

Источник: BNL,
Перевод: https://ab-news.ru/