آشکارسازی سنگین‌ترین هسته ضد ماده در یافته‌های مهم یک آزمایش
دانشمندان از همکاری STAR در برخورد دهنده یون سنگین RHIC سنگین‌ترین هسته ضد ماده کشف شده تا کنون را معرفی کردند که می‌تواند فهم ما از جهان را بهبود بخشد.
هاو کیو، یکی از فیزیکدانان STAR، به Interesting Engineering گفت: "می‌توانیم در آینده با دقت بیشتری به تقارن ماده و ضد ماده با آنتی‌هایپرهیدروژن-۴ نگاه کنیم و دیگر هسته‌های ضد ماده سنگین‌تر را کشف کنیم."
این هسته ضد ماده، آنتی‌هایپرهیدروژن-۴، از چهار ذره ضد ماده تشکیل شده است: یک آنتی‌پروتون، دو آنتی‌نوترون و یک آنتی‌هیپرون.
چالش‌های شناسایی
شناسایی آنتی‌هایپرهیدروژن-۴ یک دستاورد بزرگ بود. فیزیکدانان STAR بر روی ردپای ذراتی که از واپاشی این هسته ناپایدار ضد ماده به جا می‌ماند تمرکز کردند.
یکی از این محصولات واپاشی، هسته ضد هلیوم-۴ است که قبلاً کشف شده بود؛ دیگری ذره‌ای با بار مثبت به نام پایون است.
با این حال، تفکیک این سیگنال‌های واپاشی از سر و صدای دیگر تعاملات ذرات چالشی بزرگ بود.
محققان مجبور بودند میلیاردها رویداد برخورد را که هر یک دارای هزاران رد ذرات بودند مرور کنند تا موارد نادری را که این دو ذره از یک نقطه منشا گرفته‌اند و نشان‌دهنده واپاشی یک هسته ضد ماده هستند، شناسایی کنند.
کیو توضیح داد: "ابتدا باید دختران واپاشی - ضد هلیوم-۴ و pi+ - را شناسایی کنیم. این کار را با استفاده از رابطه اتلاف انرژی در مقابل تکانه در گاز محفظه پیش‌بینی زمانی و با استفاده از جرم^۲ محاسبه شده از تکانه، طول رد، و زمان پرواز انجام می‌دهیم."
وی افزود: "سپس باید نقاط واپاشی را بازسازی کنیم و بیشتر از پس‌زمینه ترکیب‌های تصادفی را با اطمینان از اینکه نقاط واپاشی دور از نقطه برخورد هستند، حذف کنیم، زیرا بیشتر ذرات پس‌زمینه مستقیماً از نقطه برخورد می‌آیند."
غلبه بر نویز و تحلیل مقایسه‌ای
محققان با چالش تفکیک این سیگنال‌های واپاشی از پس‌زمینه پرتلاطم دیگر تعاملات ذرات مواجه بودند.
کیو بیان کرد: "پس‌زمینه بزرگ است و سیگنال بسیار کوچک. ما حدود ۱۶ شمارش سیگنال را از ۶ میلیارد رویداد، هر کدام با هزاران رد، پیدا کردیم. چیزهای زیادی را امتحان کردیم - مجموعه داده‌های مختلف، معیارهای شناسایی ذرات دختر مختلف، روش‌های بازسازی نقاط واپاشی مختلف... در سال اول سیگنال خوبی پیدا نکردیم، اما به تلاش ادامه دادیم و این کار را کردیم."
با کشف آنتی‌هایپرهیدروژن-۴، تیم STAR مستقیماً مقایسه‌ای بین ماده و ضد ماده انجام دادند.
آن‌ها طول عمر آنتی‌هایپرهیدروژن-۴ را با نسخه ماده آن، هایپرهیدروژن-۴، به دقت اندازه‌گیری کردند. علاوه بر این، آن‌ها طول عمر جفت ماده-ضد ماده دیگری را نیز مقایسه کردند: آنتی‌هیپرتریتون و هایپرتریتون.
نتایج این مقایسات بسیار جالب توجه بود. تفاوت‌های معناداری در طول عمرها مشاهده نشد، یافته‌ای که با مدل‌های نظری فعلی همخوانی دارد.
رویکرد دقیق
شناسایی ۲۲ رویداد نامزد برای آنتی‌هایپرهیدروژن-۴ با پس‌زمینه تخمین زده‌شده ۶.۴، دقت رویکرد آن‌ها را نشان می‌دهد.
او تأکید کرد: "ما توزیع جرم نامغییر پس‌زمینه را با چرخاندن ضد هلیوم-۴ دختر حول یک زاویه تصادفی تشکیل می‌دهیم. بنابراین قله جرم نامغییر سیگنال نابود می‌شود و یک شکل توزیع جرم نامغییر پس‌زمینه پیوسته قابل دستیابی است."
او افزود: "سپس مقداری نرمال‌سازی انجام می‌دهیم تا پس‌زمینه چرخشی با توزیع جرم نامغییر نامزد همگام شود خارج از منطقه قله سیگنال. با این می‌توانیم پس‌زمینه را برآورد کنیم. این کار دارای عدم قطعیت‌های آماری و سیستماتیک است که زیاد نیستند و به‌درستی مورد توجه قرار گرفتند."
اگرچه این ممکن است ناچیز به نظر برسد، اما به عنوان تأییدی مهم بر اعتبار این مدل‌ها خدمت می‌کند. اگر اختلافی پیدا می‌شد، لازم بود که فهم اساسی از فیزیک مورد بازبینی قرار گیرد.
اگرچه کشف آنتی‌هایپرهیدروژن-۴ مستقیماً به حل معمای ناسازگاری ماده-ضد ماده منجر نمی‌شود، اما گامی مهم در فهم ما از ضد ماده است.
تحقیقات آینده در RHIC و دیگر تسهیلات پیشرو به کاوش در اسرار ضد ماده ادامه خواهند داد، که ما را نزدیکتر به حل معمای چگونگی تسلط ماده بر جهان نزدیک می‌کند. همانطور که دانشمندان به مرزهای دانش پیشروی می‌کنند، پاسخ گریزنده به این سوال بنیادی ممکن است روزی در دسترس باشد.
نقش حیاتی RHIC
وجود ضد ماده مدت‌هاست که فیزیکدانان را مجذوب خود کرده و سوال اساسی در مورد ماهیت جهان ما را مطرح کرده است.
اگرچه نظریه غالب پیشنهاد می‌دهد که هم ماده و هم ضد ماده در مقادیر برابر در بیگ بنگ ایجاد شدند، جهان ما به طور عمده از ماده تشکیل شده است.
RHIC که اغلب به عنوان یک "اتم شکن" شناخته می‌شود، به عنوان ابزاری قوی برای بازسازی شرایط اوایل جهان عمل می‌کند.
با برخورد یون‌های سنگین با سرعت‌های نزدیک به نور، RHIC یک توفان از هزاران ذره جدید از جمله ماده و ضد ماده تولید می‌کند که تقریباً در مقادیر برابر هستند. این محیط منحصربه‌فرد آزمایشگاه ایده‌آلی برای مطالعه ضد ماده فراهم می‌کند.
