새로운 가장 무거운 이국적인 반물질 핵

 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)에서 원자핵의 60억 번의 충돌에서 흘러나오는 입자의 궤적을 연구하는 과학자들은 초기 우주의 조건을 재현하는 "원자 분쇄기"에서 지금까지 발견된 것 중 가장 무거운 새로운 종류의 반물질 핵을 발견했습니다. 반양성자, 반중성자 2개, 반하이퍼론 1개로 구성된 이 이국적인 반핵은 반하이퍼하이드로겐-4로 알려져 있습니다.

RHIC의 STAR Collaboration 구성원들은 집 크기의 입자 검출기를 사용하여 충돌 파편의 세부 사항을 분석하여 이 발견을 이루었습니다. 그들은 저널 Nature 에 결과를 보고 하고 이러한 이국적인 반입자를 사용하여 물질과 반물질의 차이점을 찾는 방법을 설명합니다.

"물질과 반물질에 대한 우리의 물리학 지식은, 반대 전하를 갖는 것을 제외하면, 반물질은 물질과 동일한 속성을 가지고 있다는 것입니다. 즉, 질량이 같고, 붕괴되기 전의 수명과 상호 작용이 같습니다." 란저우 대학 원자핵물리학과와 중국 현대물리학 연구소의 대학원생인 STAR 협력자 준린 우가 말했습니다. 하지만 현실은 우리 우주가 반물질이 아닌 물질로 이루어져 있다는 것입니다. 둘 다 약 140억 년 전 빅뱅 당시에 같은 양으로 만들어졌다고 믿어지지만요.

"왜 우리 우주가 물질에 의해 지배되는지는 여전히 의문이며, 우리는 완전한 답을 모릅니다."라고 우는 말했습니다.

RHIC는 미국 에너지부(DOE)의 브룩헤이븐 국립연구소의 핵물리학 연구를 위한 과학국 사용자 시설로, 반물질을 연구하기에 좋은 곳입니다. 전자가 벗겨지고 빛의 속도에 가깝게 가속된 원자핵인 중이온의 충돌은 이온의 개별 양성자와 중성자의 경계를 녹입니다. 가시광선 물질의 가장 기본적인 구성 요소인 자유 쿼크와 글루온의 결과 수프에 축적된 에너지는 수천 개의 새로운 입자를 생성합니다. 그리고 초기 우주와 마찬가지로 RHIC는 거의 동일한 양의 물질과 반물질을 만듭니다. 이러한 입자 충돌에서 생성된 물질과 반물질 입자의 특성을 비교하면 오늘날의 세계에서 물질의 존재를 지지하는 균형을 기울인 비대칭성에 대한 단서를 제공할 수 있습니다.

무거운 반물질 감지

"물질-반물질 비대칭을 연구하려면 첫 번째 단계는 새로운 반물질 입자를 발견하는 것입니다." IMP에서 우의 자문가인 STAR 물리학자 하오 추는 말했다. "그것이 이 연구의 기본 논리입니다."

STAR 물리학자들은 이전에 RHIC 충돌에서 생성된 반물질로 구성된 핵을 관찰했습니다. 2010년에 그들은 반하이퍼트리톤을 감지했습니다. 이것은 일반적인 양성자와 중성자를 구성하는 더 가벼운 "위"와 "아래" 쿼크가 아닌 적어도 하나의 "이상한" 쿼크를 포함하는 입자인 하이페론을 포함하는 반물질 핵의 첫 번째 사례였습니다. 그리고 불과 1년 후, STAR 물리학자들은 헬륨 핵의 반물질 등가물인 반헬륨-4를 감지함으로써 그 무거운 반물질 기록을 무너뜨렸습니다.

최근의 분석에 따르면 반초수소-4도 도달할 수 있을 것으로 나타났습니다. 하지만 이 불안정한 반초핵을 검출하는 것은(반헬륨의 양성자 중 하나를 대신하여 반초자론(특히 반람다 입자)을 추가하면 중량급 기록 보유자를 다시 한 번 앞지르는 것) 드문 사건일 것입니다. RHIC 충돌에서 생성된 쿼크-글루온 수프에서 네 가지 구성 요소(반양성자 1개, 반중성자 2개, 반람다 1개)가 모두 적절한 위치에서 동일한 방향으로, 적절한 시간에 뭉쳐서 일시적으로 결합된 상태로 방출되어야 합니다.

"이 네 가지 구성 입자가 RHIC 충돌에서 서로 충분히 가까이 나와 결합해 이 반초핵을 형성할 수 있는 것은 우연에 불과합니다." STAR 협업의 두 공동 대변인 중 한 명인 브룩헤븐 연구소 물리학자 리주안 루안의 말입니다.

"파이" 스택의 바늘

반초수소-4를 찾기 위해 STAR 물리학자들은 이 불안정한 반초핵이 붕괴되는 입자의 궤적을 살펴보았습니다. 그 붕괴 생성물 중 하나는 이전에 감지된 반헬륨-4 핵이고, 다른 하나는 파이온(pi + )이라고 하는 간단한 양전하 입자입니다.

"STAR에서 이미 반헬륨-4가 발견되었기 때문에 우리는 이전에 사용한 것과 같은 방법을 사용하여 해당 사건을 수집한 다음 파이 + 트랙으로 재구성하여 이러한 입자를 찾았습니다."라고 우는 말했습니다.

재구성이란, 그가 반헬륨-4와 파이 + 입자의 궤적을 다시 추적하여 단일 지점에서 나왔는지 확인하는 것을 의미합니다. 하지만 RHIC 충돌은 많은 파이온을 생성합니다. 그리고 희귀한 반초핵을 찾기 위해 과학자들은 수십억 개의 충돌 사건을 걸러내고 있었습니다! 충돌에서 나온 각 반헬륨-4는 수백 개 또는 심지어 1,000개의 파이 + 입자와 짝을 이룰 수 있습니다.

"핵심은 두 입자 궤도가 교차점 또는 붕괴 정점을 가지고 있고 특정 특성을 가진 것을 찾는 것이었습니다." 루안이 말했습니다. 즉, 붕괴 정점은 충돌 지점에서 충분히 떨어져 있어야 하며, 두 입자는 불덩어리에서 처음 생성된 입자의 충돌 직후 형성된 반초핵의 붕괴에서 유래되었을 수 있습니다.

STAR 팀은 다른 모든 잠재적 붕괴 쌍 파트너의 배경을 배제하기 위해 열심히 노력했습니다. 결국, 그들의 분석은 6.4의 추정 배경 카운트를 가진 22개의 후보 이벤트를 발견했습니다.

켄트 주립 대학에서 박사과정을 밟고 있는 에밀리 더크워스는 "이것은 반초수소-4의 붕괴처럼 보이는 것 중 약 6개가 단지 무작위 노이즈일 수 있다는 것을 의미합니다."라고 말했습니다. 그녀의 역할은 모든 이벤트를 걸러내고 신호를 골라내는 데 사용되는 컴퓨터 코드가 제대로 작성되었는지 확인하는 것이었습니다.

22에서 해당 배경값을 빼면 물리학자들은 실제 반초수소-4 원자핵을 약 16개 감지했다는 확신을 가질 수 있습니다.

물질-반물질 비교

이 결과는 STAR 팀이 물질과 반물질을 직접 비교하는 데 충분히 중요했습니다.

그들은 반하이퍼하이드로겐-4의 수명을 동일한 구성 요소의 일반 물질 변종으로 구성된 하이퍼하이드로겐-4의 수명과 비교했습니다. 그들은 또한 다른 물질-반물질 쌍인 반하이퍼트리톤과 하이퍼트리톤의 수명을 비교했습니다.

두 결과 모두 큰 차이를 보이지 않았는데, 이는 과학자들을 놀라게 하지 않았습니다.

실험은 특히 강력한 대칭의 형태를 시험하는 것이라고 그들은 설명했습니다. 물리학자들은 일반적으로 이 대칭의 위반은 극히 드물며 우주의 물질-반물질 불균형에 대한 답을 갖고 있지 않을 것이라는 데 동의합니다.

Duckworth은 "[이 특정한] 대칭성의 위반을 본다면 기본적으로 우리는 물리학에 대해 알고 있는 많은 것을 창 밖으로 내던져야 할 것입니다."라고 말했습니다.

그래서 이 경우 대칭이 여전히 작동한다는 것은 어느 정도 위안이 되었습니다. 연구팀은 결과가 물리학자들의 모델이 정확하고 "반물질에 대한 실험 연구에서 큰 진전"이라는 것을 더욱 확증했다는 데 동의했습니다.

다음 단계는 입자와 반입자 간의 질량 차이를 측정하는 것인데, 2022년 DOE 과학실 대학원생 연구 프로그램으로부터 자금 지원을 받도록 선정된 Duckworth이 추진하고 있는 연구입니다.

이 연구는 DOE 과학 사무국, 미국 국립 과학 재단, 그리고 과학 논문에 나열된 다양한 국제 기관과 조직의 지원을 받았습니다. 연구자들은 Brookhaven Lab의 Scientific Data and Computing Center, DOE의 Lawrence Berkeley National Laboratory의 National Energy Research Scientific Computing Center(NERSC), 그리고 Open Science Grid 컨소시엄의 컴퓨팅 리소스를 활용했습니다. NERSC는 또 다른 DOE 과학 사무국 사용자 시설입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/08/240821124228.htm