Gli scienziati, esaminando attentamente sei miliardi di collisioni di particelle, hanno individuato circa 16 particelle di “antiiperidrogeno-4”, il nucleo di antimateria più pesante scoperto finora.
Scoperta di un nuovo nucleo di antimateria
Al RHIC è stata fatta una scoperta rivoluzionaria del nucleo di antimateria più pesante di sempre, che coinvolge un antiprotone, due antineutroni e un antiiperone. Questa ricerca aiuta a comprendere perché la materia domina l’universo e conferma le proprietà fondamentali dell’antimateria, suggerendo che non ci sono differenze significative nei tassi di decadimento delle particelle rispetto alla materia.
Gli scienziati che studiano le tracce delle particelle che fluiscono da sei miliardi di collisioni di nuclei atomici al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), uno “smasher di atomi ” che ricrea le condizioni dell’universo primordiale, hanno scoperto un nuovo tipo di nucleo di antimateria, il più pesante mai rilevato. Composto da quattro particelle di antimateria, un antiprotone, due antineutroni e un antiiperone, questi antinuclei esotici sono noti come antiiperidrogeno-4.
I membri della STAR Collaboration del RHIC hanno fatto la scoperta utilizzando il loro rilevatore di particelle delle dimensioni di una casa per analizzare i dettagli dei detriti della collisione. I risultati sono stati riportati sulla rivista Nature.
Comprendere l’asimmetria materia-antimateria
Junlin Wu, collaboratore di STAR, studente laureato presso il Joint Department for Nuclear Physics, Lanzhou University e Institute of Modern Physics, Cina, ha dichiarato: “La nostra conoscenza fisica sulla materia e l’antimateria è che, a parte il fatto di avere cariche elettriche opposte, l’antimateria ha le stesse proprietà della materia: stessa massa, stessa durata di vita prima del decadimento e stesse interazioni”.
Ed ha aggiunto: “Ma la realtà è che il nostro universo è fatto di materia piuttosto che di antimateria, anche se si ritiene che entrambe siano state create in quantità uguali al momento del Big Bang circa 14 miliardi di anni fa. Il motivo per cui il nostro universo è dominato dalla materia è ancora una questione e non conosciamo la risposta completa”.
RHIC, una struttura utente dell’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) per la ricerca in fisica nucleare presso il Brookhaven National Laboratory del DOE, è un buon posto per studiare l’antimateria. Le sue collisioni di ioni pesanti, nuclei atomici che sono stati spogliati dei loro elettroni e accelerati a una velocità prossima a quella della luce, fondono i confini dei singoli protoni e neutroni degli ioni.
L’energia depositata nella risultante zuppa di quark e gluoni liberi, i mattoni più fondamentali della materia visibile, genera migliaia di nuove particelle. E come l’universo primordiale, RHIC produce materia e antimateria in quantità quasi uguali. Il confronto delle caratteristiche delle particelle di materia e antimateria generate in queste collisioni potrebbe offrire indizi su qualche asimmetria che ha fatto pendere la bilancia a favore dell’esistenza della materia nel mondo odierno.
Rilevazione dell’antimateria pesante
Il fisico STAR Hao Qiu, consulente di Wu all’IMP, ha affermato: “Per studiare l’asimmetria materia-antimateria, il primo passo è scoprire nuove particelle di antimateria. Questa è la logica di base dietro questo studio”.
I fisici di STAR avevano precedentemente osservato nuclei di antimateria creati in collisioni RHIC. Nel 2010, hanno rilevato l’antiipertritone. Questo è stato il primo caso di un nucleo di antimateria contenente un iperone, che è una particella contenente almeno un quark “strano” anziché solo i quark più leggeri “up” e “down” che compongono protoni e neutroni ordinari. Quindi, solo un anno dopo, i fisici di STAR hanno rovesciato quel record di antimateria di peso massimo rilevando l’equivalente di antimateria del nucleo di elio: l’antielio-4.
Un’analisi più recente ha suggerito che anche l’antiiperidrogeno-4 potrebbe essere a portata di mano. Ma rilevare questo antiipernucleo instabile, in cui l’aggiunta di un antiiperone (in particolare una particella antilambda) al posto di uno dei protoni nell’antielio supererebbe ancora una volta il detentore del record dei pesi massimi, sarebbe un evento raro. Richiederebbe che tutti e quattro i componenti (un antiprotone, due antineutroni e un antilambda) vengano emessi dalla zuppa di quark e gluoni generata nelle collisioni RHIC nel posto giusto, diretti nella stessa direzione e al momento giusto per raggrupparsi in uno stato temporaneamente legato.
Il fisico del Brookhaven Lab Lijuan Ruan, uno dei due co-portavoce della STAR Collaboration, ha spiegato: “È solo per caso che queste quattro particelle costituenti emergono dalle collisioni RHIC abbastanza vicine tra loro da potersi combinare per formare questo antiipernucleo”.
Per trovare l’antiiperidrogeno-4, i fisici STAR hanno esaminato le tracce delle particelle in cui decade questo antiipernucleo instabile. Uno di quei prodotti di decadimento è il nucleo di antielio-4 precedentemente rilevato; l’altro è una semplice particella carica positivamente chiamata pione (pi +).
Wu ha aggiunto: “Dato che l’antielio-4 era già stato scoperto in STAR, abbiamo utilizzato lo stesso metodo utilizzato in precedenza per rilevare quegli eventi e poi li abbiamo ricostruiti con tracce pi + per trovare queste particelle”.
Con ricostruire, intende ripercorrere le traiettorie delle particelle di antielio-4 e pi + per vedere se sono emerse da un singolo punto. Ma gli scontri RHIC producono molti pioni. E per trovare i rari antiipernuclei, gli scienziati hanno setacciato miliardi di eventi di collisione. Ogni antielio-4 che emerge da una collisione potrebbe essere accoppiato a centinaia o persino 1.000 particelle pi +.
Ruan ha affermato: “La chiave era trovare quelli in cui le due tracce di particelle hanno un punto di incrocio, o vertice di decadimento, con caratteristiche particolari”. Vale a dire, il vertice di decadimento deve essere sufficientemente lontano dal punto di collisione affinché le due particelle possano aver avuto origine dal decadimento di un antiipernucleo formatosi subito dopo la collisione da particelle inizialmente generate nella palla di fuoco.
Il team STAR ha lavorato duramente per escludere lo sfondo di tutti gli altri potenziali partner di coppia di decadimento. Alla fine, la loro analisi ha portato alla luce 22 eventi candidati con un conteggio di sfondo stimato di 6,4.
Emilie Duckworth, una studentessa di dottorato alla Kent State University il cui ruolo era quello di garantire che il codice informatico utilizzato per setacciare tutti quegli eventi e selezionare i segnali fosse scritto correttamente, ha aggiunto: “Questo significa che circa sei di quelli che sembrano decadimenti dell’anti-iperidrogeno-4 potrebbero essere solo rumore casuale”.
Sottraendo questo sfondo da 22, i fisici hanno la certezza di aver rilevato circa 16 nuclei effettivi di anti-iperidrogeno-4.
Confronto materia-antimateria
Il risultato è stato abbastanza significativo da indurre il team STAR a effettuare alcuni confronti diretti tra materia e antimateria.
Essi hanno confrontato la durata di vita dell’antiiperidrogeno-4 con quella dell’iperidrogeno-4, che è costituito dalle varietà di materia ordinaria degli stessi elementi costitutivi. Hanno anche confrontato le durate di vita di un’altra coppia materia-antimateria: l’antiipertritone e l’ipertritone.
Nessuno dei due ha evidenziato differenze significative, il che non ha sorpreso gli scienziati.
Gli esperimenti, hanno spiegato, erano un test di una forma particolarmente forte di simmetria. I fisici concordano generalmente sul fatto che una violazione di questa simmetria sarebbe estremamente rara e non conterrebbe la risposta allo squilibrio materia-antimateria nell’universo.
Duckworth ha spiegato: “Se dovessimo vedere una violazione di questa particolare simmetria, dovremmo sostanzialmente buttare via molto di ciò che sappiamo sulla fisica”.
Quindi, in questo caso, è stato in un certo senso confortante che la simmetria funzioni ancora. Il team ha concordato che i risultati hanno ulteriormente confermato che i modelli dei fisici sono corretti e sono un grande passo avanti nella ricerca sperimentale sull’antimateria.
Il passo successivo sarà misurare la differenza di massa tra particelle e antiparticelle, obiettivo che Duckworth, selezionato nel 2022 per ricevere finanziamenti dal programma di ricerca per studenti laureati dell’Office of Science del Dipartimento dell’Energia, sta perseguendo.
