Mærkeligt indblik i neutronstjerner og krænkelse af symmetri

Nye resultater fra præcisionspartikeldetektorer ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) giver et nyt glimt af partikelinteraktionerne, der finder sted i kernerne af neutronstjerner og giver atomfysikere en ny måde at søge efter krænkelser af grundlæggende symmetrier i universet. Resultaterne, netop udgivet i Naturfysik , kun kunne opnås ved en kraftig ionkollider som RHIC, et US Department of Energy (DOE) Office of Science brugerfacilitet til atomfysisk forskning ved DOE's Brookhaven National Laboratory.

Præcisionsmålingerne afslører, at bindingsenergien holder komponenterne i den enkleste "mærkelige stof" -kerne sammen, kendt som en "hypertriton, "er større end opnået ved tidligere, mindre præcise forsøg. Den nye værdi kan have vigtige astrofysiske implikationer for at forstå egenskaberne af neutronstjerner, hvor tilstedeværelsen af ​​partikler indeholdende såkaldte "mærkelige" kvarker forudsiges at være almindelig.

Den anden måling var en søgning efter en forskel mellem massen af ​​hypertriton og dets antimateriale -modstykke, antihypertriton (den første kerne, der indeholder en antistrangekvark, opdaget på RHIC i 2010). Fysikere har aldrig fundet en masseforskel mellem materie-antimaterie partnere, så at se en ville være en stor opdagelse. Det ville være et bevis på "CPT" -overtrædelse - en samtidig overtrædelse af tre grundlæggende symmetrier i naturen vedrørende tilbageførsel af afgift, paritet (spejlsymmetri), og tid.

"Fysikere har set krænkelse af paritet, og overtrædelse af CP sammen (hver tjener en nobelpris for Brookhaven Lab [ -), men aldrig CPT, "sagde Brookhaven -fysikeren Zhangbu Xu, medordfører for RHICs STAR-eksperiment, hvor hypertriton -forskningen blev foretaget.

Men ingen har ledt efter CPT -krænkelse i hypertriton og antihypertriton, han sagde, "fordi ingen andre kunne endnu."

Den tidligere CPT -test af den tungeste kerne blev udført af ALICE -samarbejdet hos Europas Large Hadron Collider (LHC), med en måling af masseforskellen mellem almindeligt helium-3 og antihelium-3. Resultatet, viser ingen væsentlig forskel, blev offentliggjort i Naturfysik i 2015.

Spoiler-advarsel:STAR-resultaterne afslører heller ikke nogen væsentlig masseforskel mellem de stof-antimatter-partnere, der blev undersøgt på RHIC, så der er stadig ingen tegn på CPT -overtrædelse. Men det faktum, at STAR -fysikere endda kunne foretage målingerne, er et vidnesbyrd om deres detektors bemærkelsesværdige evner.

Underlig sag

De enkleste normale stofkerner indeholder kun protoner og neutroner, med hver af disse partikler lavet af almindelige "op" og "ned" kvarker. Ved hypertritoner, en neutron erstattes af en partikel kaldet en lambda, som indeholder en mærkelig kvark sammen med de almindelige op og ned sorter.

Sådanne mærkelige stofudskiftninger er almindelige i de ultratætte forhold, der blev skabt ved RHIC's kollisioner-og er sandsynligvis også i kernerne af neutronstjerner, hvor en enkelt teskefuld stof ville veje mere end 1 milliard tons. Det skyldes, at den høje densitet gør det billigere energimæssigt at lave mærkelige kvarker end de almindelige op og ned-sorter.

Af den grund, RHIC -kollisioner giver atomfysikere en måde at kigge ind i de subatomære interaktioner inden for fjerne stjernekilder uden nogensinde at forlade Jorden. Og fordi RHIC -kollisioner skaber hypertritoner og antihypertritoner i næsten lige store mængder, de tilbyder også en måde at søge efter CPT -overtrædelse.

Men at finde de sjældne partikler blandt de tusinder, der strømmer fra hver RHIC -partikelsmashup - med kollisioner, der sker tusinder af gange hvert sekund - er en skræmmende opgave. Tilføj udfordringen til det faktum, at disse ustabile partikler henfalder næsten så snart de dannes-inden for centimeter fra midten af ​​den fire meter brede STAR-detektor.

Præcisionsdetektion

Heldigvis, detektorkomponenter tilføjet til STAR til sporing af forskellige slags partikler gjorde søgningen til en relativ knibe. Disse komponenter, kaldet "Heavy-Smag Tracker, "er placeret meget tæt på STAR -detektorens center. De blev udviklet og bygget af et team af STAR -samarbejdspartnere under ledelse af forskere og ingeniører ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Disse indre komponenter giver forskere mulighed for at matche spor, der er skabt af forfald produkter af hver hypertriton og antihypertriton med deres udgangspunkt lige uden for kollisionszonen.

"Det, vi leder efter, er" datter "-partiklerne - henfaldsprodukterne, der rammer detektorkomponenter ved yderkanterne af STAR, "sagde fysikeren Berkeley Lab Xin Dong. Ved at identificere spor af par eller trillinger af datterpartikler, der stammer fra et enkelt punkt lige uden for den primære kollisionszone, kan forskerne plukke disse signaler ud fra havet af andre partikler, der strømmer fra hver RHIC -kollision.

"Derefter beregner vi momentum for hver datterpartikel fra et henfald (baseret på hvor meget de bøjer i STARs magnetfelt), og derfra kan vi rekonstruere deres masser og massen af ​​forælderhypertriton eller antihypertritonpartikel, før den forfaldt, "forklarede Declan Keane fra Kent State University (KSU). At fortælle hypertriton og antihypertriton er let, fordi de forfalder til forskellige døtre, han tilføjede.

"Keanes hold, herunder Irakli Chakeberia, har specialiseret sig i at spore disse partikler gennem detektorerne for at 'forbinde prikkerne, "Sagde Xu." De gav også en tiltrængt visualisering af begivenhederne. "

Som bemærket, at indsamle data fra mange kollisioner afslørede ingen masseforskel mellem stoffet og antimateriale -hyperkerner, så der er ingen tegn på CPT -overtrædelse i disse resultater.

Men da STAR -fysikere så på deres resultater for hypertritons bindingsenergi, det viste sig at være større end tidligere målinger fra 1970'erne havde fundet.

STAR-fysikerne udled bindingsenergien ved at trække deres værdi for hypertritonmassen fra de kombinerede kendte masser af dens byggestenpartikler:et deuteron (en bundet tilstand af en proton og en neutron) og en lambda.

"Hypertriton vejer mindre end summen af ​​dets dele, fordi noget af den masse omdannes til den energi, der binder de tre nukleoner sammen, "sagde Fudan University STAR -samarbejdspartner Jinhui Chen, hvis ph.d. studerende, Peng Liu, analyseret de store datasæt for at nå frem til disse resultater. "Denne bindende energi er virkelig et mål for styrken af ​​disse interaktioner, så vores nye måling kan have vigtige implikationer for at forstå neutronstjernernes 'tilstandsligning', " han tilføjede.

For eksempel, i modelberegninger, massen og strukturen af ​​en neutronstjerne afhænger af styrken af ​​disse interaktioner. "Der er stor interesse for at forstå, hvordan disse interaktioner - en form for den stærke kraft - er forskellige mellem almindelige nukleoner og mærkelige nukleoner, der indeholder, ned, og mærkelige kvarker, "Sagde Chen." Fordi disse hyperkerner indeholder en enkelt lambda, dette er en af ​​de bedste måder at foretage sammenligninger med teoretiske forudsigelser. Det reducerer problemet til sin enkleste form. "