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El Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más poderoso en funcionamiento, ha revelado la primera evidencia de la partícula de antimateria más pesada hasta la fecha
Los científicos del detector ALICE emplazado en esta instalación del CERN (Centro Europeo de Investigación Nuclear) están reproduciendo las condiciones encontradas durante el Big Bang, intentando llegar al fondo de cómo la materia llegó a dominar sobre la antimateria.
Las colisiones entre iones pesados en el LHC crean plasma de quarks y gluones, un estado de materia caliente y denso que se cree que llenó el Universo alrededor de una millonésima de segundo después del Big Bang.
Las colisiones de iones pesados también crean condiciones adecuadas para la producción de núcleos atómicos e hipernúcleos exóticos, así como sus contrapartes de antimateria, antinúcleos y antihipernúcleos. Las mediciones de estas formas de materia son importantes para varios propósitos, incluyendo ayudar a entender la formación de hadrones a partir de los quarks y gluones constituyentes del plasma y la asimetría materia-antimateria observada en el Universo actual.
Los hipernúcleos son núcleos exóticos formados por una mezcla de protones, neutrones e hiperones, siendo estos últimos partículas inestables que contienen uno o más quarks del tipo extraño. Más de 70 años después de su descubrimiento en los rayos cósmicos, los hipernúcleos siguen siendo una fuente de fascinación para los físicos porque rara vez se encuentran en la naturaleza y es un desafío crearlos y estudiarlos en el laboratorio, informa el CERN en un comunicado.
En las colisiones de iones pesados, se crean hipernúcleos en cantidades significativas, pero hasta hace poco solo se habían observado el hipernúcleo más ligero, el hipertritón, y su compañero de antimateria, el antihipertritón. Un hipertritón está compuesto por un protón, un neutrón y un lambda (un hiperón que contiene un quark extraño). Un antihipertritón está formado por un antiprotón, un antineutrón y un antilambda.
Tras la observación de antihiperhidrógeno-4 (un estado ligado de un antiprotón, dos antineutrones y un antilambda), informada a principios de este año por la colaboración STAR en el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC), la colaboración ALICE en el LHC ha visto ahora la primera evidencia de antihiperhelio-4, que está compuesto por dos antiprotones, un antineutrón y un antilambda. El resultado representa la primera evidencia del hipernúcleo de antimateria más pesado hasta ahora en el LHC.
APRENDIZAJE AUTOMÁTICO
La medición de ALICE se basa en datos de colisión plomo-plomo tomados en 2018 a una energía de 5,02 teraelectronvoltios (TeV) para cada par de nucleones en colisión (protones y neutrones). Utilizando una técnica de aprendizaje automático que supera las técnicas de búsqueda de hipernúcleos convencionales, los investigadores de ALICE analizaron los datos en busca de señales de hiperhidrógeno-4, hiperhelio-4 y sus compañeros de antimateria. Los candidatos para (anti)hiperhidrógeno-4 se identificaron buscando el núcleo (anti)helio-4 y el pión cargado en el que se desintegra, mientras que los candidatos para (anti)hiperhelio-4 se identificaron a través de su desintegración en un núcleo (anti)helio-3, un (anti)protón y un pión cargado.
Además de encontrar evidencia de antihiperhelio-4 con una significancia de 3,5 desviaciones estándar, así como evidencia de antihiperhidrógeno-4 con una significancia de 4,5 desviaciones estándar, el equipo de ALICE midió los rendimientos de producción y las masas de ambos hipernúcleos.
Para ambos hipernúcleos, las masas medidas son compatibles con los valores promedio mundiales actuales. Los rendimientos de producción medidos se compararon con las predicciones del modelo estadístico de hadronización, que proporciona una buena descripción de la formación de hadrones y núcleos en colisiones de iones pesados. Esta comparación muestra que las predicciones del modelo concuerdan estrechamente con los datos si se incluyen en las predicciones tanto los estados hipernucleares excitados como los estados fundamentales. Los resultados confirman que el modelo estadístico de hadronización también puede proporcionar una buena descripción de la producción de hipernúcleos, que son objetos compactos con tamaños de alrededor de 2 femtómetros (1 femtómetro equivale a 10 elevado a -15 metros).
Los investigadores también determinaron las relaciones de rendimiento antipartícula-partícula para ambos hipernúcleos y descubrieron que concuerdan con la unidad dentro de las incertidumbres experimentales. Esta concordancia es coherente con la observación de ALICE de la producción igual de materia y antimateria a las energías del LHC y se suma a la investigación en curso sobre el desequilibrio materia-antimateria en el Universo, según el CERN.