Ny indsigt i de partikelinteraktioner, der kan finde sted i neutronstjernernes hjerte

Det internationale ALICE-samarbejde ved Large Hadron Collider (LHC) har netop frigivet de mest præcise målinger til dato af to egenskaber ved en hypernucleus, der kan eksistere i neutronstjernernes kerner.

Atomkerner og deres antistof-modstykker, kendt som antinuclei, produceres ofte ved LHC i højenergikollisioner mellem tunge ioner eller protoner. På en mindre hyppig, men stadig regelmæssig basis, dannes også ustabile kerner kaldet hypernuclei. I modsætning til normale kerner, som kun omfatter protoner og neutroner (det vil sige nukleoner), består hyperkerner også af hyperoner - ustabile partikler, der indeholder kvarker af den mærkelige type.

Næsten 70 år siden de første gang blev observeret i kosmiske stråler, fortsætter hyperkerner med at fascinere fysikere, fordi de sjældent produceres i den naturlige verden, og selvom de traditionelt fremstilles og studeres i lavenergi-kernefysiske eksperimenter, er det ekstremt udfordrende at måle deres egenskaber.

Ved LHC skabes hyperkerner i betydelige mængder i tung-ion-kollisioner, men den eneste hypernucleus, der hidtil er observeret ved kollideren, er den letteste hypernucleus, hypertritonen, som er sammensat af en proton, en neutron og en Lambda - en hyperon, der indeholder en mærkelig kvark.

I deres nye undersøgelse undersøgte ALICE-teamet en prøve på omkring tusinde hypertritoner produceret i bly-bly-kollisioner, der fandt sted i LHC under dens anden kørsel. Når de først er dannet i disse kollisioner, flyver hypertritonerne nogle få centimeter inde i ALICE-eksperimentet, før de henfalder til to partikler, en helium-3-kerne og en ladet pion, som ALICE-detektorerne kan fange og identificere. ALICE-holdet undersøgte disse datterpartikler og de spor, de efterlader i detektorerne.

Ved at analysere denne prøve af hypertritoner, en af ​​de største tilgængelige for disse "mærkelige" kerner, var ALICE-forskerne i stand til at opnå de hidtil mest præcise målinger af to af hypertritonens egenskaber:dens levetid (hvor lang tid det tager at henfalde) og energi, der kræves for at adskille dens hyperon, Lambdaen, fra de resterende bestanddele.

Disse to egenskaber er fundamentale for at forstå den indre struktur af denne hypernucleus og som en konsekvens arten af ​​den stærke kraft, der binder nukleoner og hyperoner sammen. Studiet af denne kraft er ikke kun interessant i sig selv, men kan også tilbyde værdifuld indsigt i de partikelinteraktioner, der kan finde sted i neutronstjernernes indre kerner. Disse kerner, som er meget tætte, forventes at favorisere dannelsen af ​​hyperoner frem for rent nukleonisk stof.

De nye ALICE-målinger indikerer, at interaktionen mellem hypertritonets hyperon og dets to nukleoner er ekstremt svag:Lambda-separationsenergien er kun nogle få titusvis af kiloelektronvolt, svarende til energien fra røntgenstråler, der bruges til medicinsk billeddannelse, og hypertritonens levetid er kompatibel med den gratis Lambda.

Da stof og antistof produceres i næsten lige store mængder på LHC, var ALICE-samarbejdet desuden i stand til at studere antihypertritoner og bestemme deres levetid. Holdet fandt, at inden for den eksperimentelle usikkerhed af målingerne, har antihypertriton og hypertriton den samme levetid. At finde selv en lille forskel mellem de to levetider kunne signalere brud på en fundamental symmetri i naturen, CPT-symmetri.

Med data fra den tredje kørsel af LHC, som startede for alvor i juli, vil ALICE ikke kun yderligere undersøge hypetritonets egenskaber, men vil også udvide sine undersøgelser til at omfatte tungere hyperkerner. + Udforsk yderligere

Let kerne forudsagt at være stabil på trods af to mærkelige kvarker