Наука и образование

Рождение гиперядер во взаимодействиях протонов

На прошлой неделе на Конференции Европейского физического общества по физике высоких энергий (EPS-HEP 2023) эксперимент LHCb сообщил о своем первом наблюдении гипертритонов и антигипертритонов, родившихся в протон-протонных взаимодействиях. Было обнаружено около 100 таких гиперядер.

Гипертритоны принадлежат к классу ядер, называемых гиперядрами или гиперфрагментами. Первый из них был обнаружен Данишем и Пневским в 1952 году. Они обнаружили и правильно интерпретировали событие, показанное на рисунке 1. Взаимодействие космических лучей с ядерной эмульсией вызвало распад ядра на множество частиц, среди которых был ядерный фрагмент (f), который распадается на две длинные дорожки и одну короткую. Большая энергия распада, а также долгий срок жизни фрагмента f побудили авторов предположить, что он содержит гиперон Λ, связанный внутри ядра. Это наблюдение положило начало физике гиперядер. Сначала гиперядра интенсивно изучались с использованием взаимодействия космических лучей с ядерными эмульсиями, а позже, в 1970-х годах, их обнаружили в экспериментах на протонном синхротроне в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). В настоящее время рождение гипертритонов изучается в столкновении пучков тяжелых ионов. Наиболее точные измерения принадлежат экспериментам STAR (RHIC, BNL) и ALICE (БАК, ЦЕРН). Так, в 2019 году эксперимент ALICE представил измерения среднего времени жизни гипертритона. И вот на прошлой неделе другой эксперимент БАК –  LHCb - сообщил о своем первом наблюдении гипертритонов и антигипертритонов, возникающих в pp-взаимодействиях. Для этого использовались данные, набранные в 2015-18 гг. в ходе второго этапа работы БАК.

Гипертритоны, ³_Λ H, и соответствующие антиядра были воссозданы через двухчастичные распады на ядра гелия и пионы. Антигипертритон аналогичен изотопу антиводорода, известному как антитритон (ядро атома антитрития). Такое антиядро состоит из антипротона и двух антинейтронов, связанных ядерными силами. Основное различие между антитритоном и антигипертритоном заключается в том, что последний содержит странный антибарион, известный как анти-Λ, вместо одного из антинейтронов (см. рисунок 2).

Основные компоненты анализа представлены на вставке на графике, представленном на рисунке 3. Антигипертритон рождается при столкновениях протонов БАК в точке, обозначенной черной звездой. После того как он пролетает около 40 см, антигиперон внутри ядра распадается под действием слабых сил на антипротон и π⁺. Это происходит в точке, изображенной фиолетовой эллипсом. Пион покидает ядро, в то время как антипротон держивается сильным взаимодействием в ядре, превращая антигипертритон в ядро антигелия-3, состоящее из двух антипротонов и одного антинейтрона. Ядра антигелия обладают двойным зарядом, так как в их состав входят два антипротона. Их идентификация производится путем анализа информации о потерях энергии при ионизации в кремниевых трекерах эксперимента. Цветовая шкала на вставке в графике (рисунок 3) показывает, что амплитуда ответа VELO различается для антигипертритона, антигелия и пиона.

Физики LHCb идентифицируют антигипертритоны, вычисляя инвариантную массу конечных продуктов распада, m(анти-3He π+). Восстановление гипертритона идентично, за исключением использования ядра гелия и выделения пионов с отрицательным электрическим зарядом. Центральный пик на изображении выше представляет собой сумму наблюдаемых гипертритонов и антигипертритонов. Общее количество наблюдаемых гипертритонов составляет 61 ± 8, а антигипертритонов: 46 ± 7.

Техника идентификации гелия, используемая в этом анализе, является инновационной для эксперимента LHCb. Она подтверждает возможность проведения богатой программы измерений в области квантовой хромодинамики и астрофизических исследований, включающей легкие ядра. Изучение производства гелия и антигелия с использованием коллайдерных экспериментов, таких как LHCb, улучшит наше понимание ядерных сил и может также предоставить информацию о том, как такие ядра могут образовываться в космосе. Кроме того, гиперядра, такие как гипертритон, имеют значительное значение для понимания плотных астрофизических объектов, таких как нейтронные звезды.

Более подробную информацию можно получить из заметки на сайте эксперимента LHCb, а также из слайдов презентации на конференции EPS-HEP 2023. В скором времени статья, описывающее это измерение, будет направлена в реферируемый научный журнал.

Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента LHCb и являются соавторами представленной работы.