Nieuwe resultaten van precisiedeeltjesdetectoren bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) bieden een nieuwe kijk op de deeltjesinteracties die plaatsvinden in de kernen van neutronensterren en geven kernfysici een nieuwe manier om te zoeken naar schendingen van fundamentele symmetrieën in het universum. De resultaten, net gepubliceerd in Natuurfysica , kon alleen worden verkregen bij een krachtige ionenversneller zoals RHIC, een U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science gebruikersfaciliteit voor kernfysisch onderzoek in het Brookhaven National Laboratory van DOE.

De precisiemetingen laten zien dat de bindingsenergie die de componenten van de eenvoudigste "vreemde materie" kern bij elkaar houdt, bekend als een "hypertriton, " is groter dan verkregen door vorige, minder nauwkeurige experimenten. De nieuwe waarde kan belangrijke astrofysische implicaties hebben voor het begrijpen van de eigenschappen van neutronensterren, waar wordt voorspeld dat de aanwezigheid van deeltjes met zogenaamde "vreemde" quarks gebruikelijk is.

De tweede meting was een zoektocht naar een verschil tussen de massa van de hypertriton en zijn antimaterie-tegenhanger, de antihypertriton (de eerste kern met een antivreemde quark, ontdekt bij RHIC in 2010). Natuurkundigen hebben nog nooit een groot verschil gevonden tussen materie-antimaterie-partners, dus het zou een grote ontdekking zijn om er een te zien. Het zou een bewijs zijn van "CPT"-schending - een gelijktijdige schending van drie fundamentele symmetrieën in de natuur met betrekking tot de omkering van lading, pariteit (spiegelsymmetrie), en tijd.

"Natuurkundigen hebben pariteitsschendingen gezien, en schending van CP samen (die elk een Nobelprijs verdienen voor Brookhaven Lab[-), maar nooit CPT, " zei Brookhaven-natuurkundige Zhangbu Xu, co-woordvoerder van RHIC's STAR-experiment, waar het hypertriton-onderzoek werd gedaan.

Maar niemand heeft gezocht naar CPT-overtredingen in de hypertriton en antihypertriton, hij zei, "omdat niemand anders dat nog kon."

De vorige CPT-test van de zwaarste kern werd uitgevoerd door de ALICE-samenwerking bij Europe's Large Hadron Collider (LHC), met een meting van het massaverschil tussen gewoon helium-3 en antihelium-3. Het resultaat, geen significant verschil vertonen, werd gepubliceerd in Natuurfysica anno 2015.

Spoiler alert:de STAR-resultaten onthullen ook geen significant massaverschil tussen de materie-antimaterie-partners die bij RHIC zijn onderzocht, dus er is nog steeds geen bewijs van CPT-overtreding. Maar het feit dat STAR-natuurkundigen zelfs de metingen konden doen, getuigt van de opmerkelijke mogelijkheden van hun detector.

Vreemde zaak

De eenvoudigste kernen van normale materie bevatten alleen protonen en neutronen, met elk van die deeltjes gemaakt van gewone "up" en "down" quarks. Bij hypertritonen, één neutron wordt vervangen door een deeltje dat een lambda wordt genoemd, die een vreemde quark bevat, samen met de gewone op en neer variëteiten.

Dergelijke vervangingen van vreemde materie komen vaak voor in de ultradichte omstandigheden die zijn ontstaan ​​bij de botsingen van RHIC - en zijn waarschijnlijk ook in de kernen van neutronensterren waar een enkele theelepel materie meer dan 1 miljard ton zou wegen. Dat komt omdat de hoge dichtheid het qua energie minder kostbaar maakt om vreemde quarks te maken dan de gewone op- en neergaande varianten.

Om die reden, RHIC-botsingen geven kernfysici een manier om in de subatomaire interacties binnen verre stellaire objecten te kijken zonder ooit de aarde te verlaten. En omdat RHIC-botsingen in bijna gelijke hoeveelheden hypertritonen en antihypertritonen creëren, ze bieden ook een manier om te zoeken naar CPT-overtredingen.

Maar het vinden van die zeldzame deeltjes tussen de duizenden die uit elk RHIC-deeltje stromen - met botsingen die duizenden keren per seconde plaatsvinden - is een ontmoedigende taak. Voeg de uitdaging nog toe aan het feit dat deze onstabiele deeltjes bijna vervallen zodra ze zich vormen - binnen centimeters van het midden van de vier meter brede STAR-detector.

Precisiedetectie

Gelukkig, detectorcomponenten die aan STAR zijn toegevoegd voor het volgen van verschillende soorten deeltjes, maakten het zoeken een relatieve makkie. Deze componenten, genaamd de "Heavy-Flavour Tracker, " bevinden zich zeer dicht bij het centrum van de STAR-detector. Ze zijn ontwikkeld en gebouwd door een team van STAR-medewerkers onder leiding van wetenschappers en ingenieurs van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van DOE. Deze interne componenten stellen wetenschappers in staat om sporen te matchen die zijn gemaakt door verval producten van elk hypertriton en antihypertriton met hun oorsprong net buiten de aanvaringszone.

"Waar we naar op zoek zijn, zijn de 'dochter'-deeltjes - de vervalproducten die detectorcomponenten aan de buitenranden van STAR raken, "Zei Berkeley Lab-fysicus Xin Dong. Door sporen van paren of tripletten van dochterdeeltjes te identificeren die afkomstig zijn van een enkel punt net buiten de primaire botsingszone, kunnen de wetenschappers deze signalen oppikken uit de zee van andere deeltjes die uit elke RHIC-botsing stromen.

"Vervolgens berekenen we het momentum van elk dochterdeeltje uit één verval (gebaseerd op hoeveel ze buigen in het magnetische veld van STAR), en daaruit kunnen we hun massa's reconstrueren en de massa van het ouder-hypertriton- of antihypertriton-deeltje voordat het verviel, ", legt Declan Keane van Kent State University (KSU) uit. Het is gemakkelijk om hypertriton en antihypertriton uit elkaar te houden omdat ze uiteenvallen in verschillende dochters, hij voegde toe.

"Keane's team, waaronder Irakli Chakeberia, heeft zich gespecialiseerd in het volgen van deze deeltjes door de detectoren om 'de punten te verbinden, '" zei Xu. "Ze zorgden ook voor de broodnodige visualisatie van de gebeurtenissen."

Zoals opgemerkt, het verzamelen van gegevens van veel botsingen onthulde geen massaverschil tussen de materie en antimaterie hyperkernen, dus er is geen bewijs van CPT-overtreding in deze resultaten.

Maar toen STAR-natuurkundigen naar hun resultaten voor de bindingsenergie van het hypertriton keken, het bleek groter te zijn dan eerdere metingen uit de jaren zeventig hadden gevonden.

De STAR-fysici hebben de bindingsenergie afgeleid door hun waarde voor de hypertritonmassa af te trekken van de gecombineerde bekende massa's van zijn bouwsteendeeltjes:een deuteron (een gebonden toestand van een proton en een neutron) en één lambda.

"Het hypertriton weegt minder dan de som van zijn delen, omdat een deel van die massa wordt omgezet in de energie die de drie nucleonen aan elkaar bindt, " zei Fudan University STAR-medewerker Jinhui Chen, wiens Ph.D. student, Peng Liu, analyseerde de grote datasets om tot deze resultaten te komen. "Deze bindingsenergie is echt een maat voor de sterkte van deze interacties, dus onze nieuwe meting kan belangrijke implicaties hebben voor het begrijpen van de 'toestandsvergelijking' van neutronensterren, " hij voegde toe.

Bijvoorbeeld, bij modelberekeningen, de massa en structuur van een neutronenster hangt af van de sterkte van deze interacties. "Er is grote interesse om te begrijpen hoe deze interacties - een vorm van de sterke kracht - verschillen tussen gewone nucleonen en vreemde nucleonen die bevatten, omlaag, en vreemde quarks, "Zei Chen. "Omdat deze hypernuclei één enkele lambda bevatten, dit is een van de beste manieren om vergelijkingen te maken met theoretische voorspellingen. Het reduceert het probleem tot zijn eenvoudigste vorm."