De internationale ALICE-samenwerking bij de Large Hadron Collider (LHC) heeft zojuist de meest nauwkeurige metingen tot nu toe vrijgegeven van twee eigenschappen van een hypernucleus die mogelijk voorkomt in de kernen van neutronensterren.

Atoomkernen en hun antimaterie-tegenhangers, bekend als antinucleï, worden vaak geproduceerd in de LHC in hoogenergetische botsingen tussen zware ionen of protonen. Op een minder frequente maar nog steeds regelmatige basis worden ook onstabiele kernen, hyperkernen genaamd, gevormd. In tegenstelling tot normale kernen, die alleen uit protonen en neutronen (dat wil zeggen nucleonen) bestaan, bestaan ​​hypernuclei ook uit hyperonen - instabiele deeltjes die quarks van het vreemde type bevatten.

Bijna 70 jaar sinds ze voor het eerst werden waargenomen in kosmische straling, blijven hyperkernen natuurkundigen fascineren omdat ze zelden in de natuurlijke wereld worden geproduceerd en hoewel ze traditioneel worden gemaakt en bestudeerd in energiezuinige kernfysica-experimenten, is het buitengewoon uitdagend om hun eigenschappen.

Bij de LHC worden hyperkernen in aanzienlijke hoeveelheden gecreëerd bij botsingen van zware ionen, maar de enige hypernucleus die tot nu toe bij de botser is waargenomen, is de lichtste hypernucleus, de hypertriton, die is samengesteld uit een proton, een neutron en een Lambda - een hyperon dat een vreemde quark.

In hun nieuwe studie onderzocht het ALICE-team een ​​steekproef van ongeveer duizend hypertritonen geproduceerd in lood-loodbotsingen die tijdens de tweede run in de LHC plaatsvonden. Eenmaal gevormd in deze botsingen, vliegen de hypertritonen een paar centimeter in het ALICE-experiment voordat ze vervallen in twee deeltjes, een helium-3-kern en een geladen pion, die de ALICE-detectoren kunnen vangen en identificeren. Het ALICE-team onderzocht deze dochterdeeltjes en de sporen die ze achterlaten in de detectoren.

Door dit monster hypertritonen te analyseren, een van de grootste die beschikbaar zijn voor deze "vreemde" kernen, konden de ALICE-onderzoekers de meest nauwkeurige metingen tot nu toe verkrijgen van twee van de eigenschappen van hypertriton:de levensduur (hoe lang het duurt om te vervallen) en de energie die nodig is om zijn hyperon, de Lambda, te scheiden van de overige bestanddelen.

Deze twee eigenschappen zijn fundamenteel voor het begrijpen van de interne structuur van deze hypernucleus en, als gevolg daarvan, de aard van de sterke kracht die nucleonen en hyperonen aan elkaar bindt. De studie van deze kracht is niet alleen interessant op zich, maar kan ook waardevol inzicht bieden in de deeltjesinteracties die kunnen plaatsvinden in de binnenste kernen van neutronensterren. Er wordt voorspeld dat deze kernen, die erg dicht zijn, de creatie van hyperonen begunstigen boven puur nucleonische materie.

De nieuwe ALICE-metingen geven aan dat de interactie tussen het hyperon van de hypertriton en zijn twee nucleonen extreem zwak is:de Lambda-scheidingsenergie is slechts enkele tientallen kilo-elektronvolts, vergelijkbaar met de energie van röntgenstralen die worden gebruikt in medische beeldvorming, en de levensduur van de hypertriton is compatibel met die van de gratis Lambda.

Omdat materie en antimaterie in de LHC in bijna gelijke hoeveelheden worden geproduceerd, was de ALICE-samenwerking bovendien in staat om antihypertritonen te bestuderen en hun levensduur te bepalen. Het team ontdekte dat, binnen de experimentele onzekerheid van de metingen, antihypertriton en hypertriton dezelfde levensduur hebben. Het vinden van zelfs maar een klein verschil tussen de twee levensduren kan duiden op het doorbreken van een fundamentele symmetrie van de natuur, CPT-symmetrie.

Met gegevens van de derde run van de LHC, die in juli serieus begon, zal ALICE niet alleen de eigenschappen van de hypetriton verder onderzoeken, maar zijn studies ook uitbreiden met zwaardere hypernucleï. + Verder verkennen

Lichtkern voorspeld stabiel ondanks twee vreemde quarks