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Ricercatori dell'Istituto di fisica moderna, dell'Accademia cinese delle scienze e di altre istituzioni hanno partecipato alla ricerca sperimentale collaborativa internazionale RHIC-STAR.Un nuovo supernucleo di antimateria, l’antiiperidrogeno-4, è stato osservato per la prima volta in una collisione relativistica oro-oro di ioni pesanti. Questo è il supernucleo di antimateria più pesante scoperto sperimentalmente fino ad oggi. Il 21 agosto, importanti risultati della ricerca sono stati pubblicati su Nature.

Le attuali conoscenze della fisica ritengono che le proprietà della materia e dell'antimateria siano simmetriche e che all'inizio dell'universo avrebbero dovuto esistere quantità uguali di materia e antimateria. Fortunatamente, qualche misterioso meccanismo fisico causò l'asimmetria di una piccolissima quantità di materia e antimateria nell'universo primordiale. Dopo che la maggior parte della materia e dell'antimateria furono annichilate, circa un decimo di un miliardesimo della materia sopravvisse e formò la materia di oggi la base per la nascita e l’esistenza della civiltà umana. Cosa causa la differenza nella quantità di materia e antimateria nell’universo? Per rispondere a questa domanda, un’idea importante è creare nuova antimateria in laboratorio e studiarne le proprietà.

L'antimateria è molto rara e i nuclei di antimateria e i supernuclei di antimateria (cioè nuclei contenenti iperoni come Lambda) formati dall'ulteriore combinazione di diversi antibarioni sono ancora più difficili da produrre. Poiché la “soluzione ad energia negativa” dell’equazione di Dirac prevedeva l’esistenza dell’antimateria nel 1928,Gli scienziati hanno scoperto solo 6 tipi di (super)nuclei di antimateria nel secolo scorso。

L’anti-superidrogeno-4 scoperto questa volta è stato prodotto in un esperimento relativistico sulla collisione di ioni pesanti. Il Relativistic Heavy Ion Collider del Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti può accelerare i fasci di ioni pesanti quasi alla velocità della luce e farli collidere, simulando lo stato del primo Big Bang in laboratorio. Questa collisione può produrre una palla di fuoco ad alta temperatura di diversi trilioni di gradi, contenente quantità quasi uguali di materia e antimateria. La palla di fuoco si espanse e si raffreddò rapidamente, dando ad un po' di antimateria la possibilità di sfuggire al destino di essere annientata dalla materia positiva, e fu osservata dal rilevatore sperimentale STAR in orbita attorno al luogo della collisione.

L'antiiperidrogeno-4 è costituito da un antiprotone, due antineutroni e un antiiperone. Poiché contiene iperoni anti-Lambda instabili, l'anti-H-4 decade dopo pochi centimetri di volo.Lo studio ha analizzato i dati sperimentali di circa 6,6 miliardi di eventi di collisione di ioni pesanti, producendo antielio-4 e π attraverso il decadimento⁺Il mesone ha ricostruito in modo inverso l'anti-superidrogeno-4 e ha ottenuto circa 16 segnali anti-superidrogeno-4.。

▲Antielio-4 e π⁺Segnale antiiperidrogeno-4 nello spettro di massa costante del mesone

Il team ha anche misurato la durata dell'anti-H-4 e lo ha confrontato con la sua controparte, il positrone-4. La ricerca mostra che non vi è alcuna differenza significativa nella durata dei due nell'intervallo di precisione della misurazione.Ancora una volta verificata la simmetria delle proprietà della materia e dell'antimateria。

L’antiiperidrogeno-4 è il supernucleo di antimateria più pesante attualmente osservato dagli scienziati.. La sua scoperta e lo studio delle sue proprietà hanno permesso agli scienziati di compiere un passo importante nell'esplorazione dell'antimateria e della simmetria tra materia e antimateria.

▲La collisione di ioni pesanti produce superidrogeno-4 di antimateria

STAR è un gruppo di cooperazione sperimentale internazionale su larga scala su RHIC, composto da oltre 700 ricercatori provenienti da 74 unità in 14 paesi.

Il lavoro è stato guidato dal team di Qiu Hao, ricercatore presso l'Istituto di fisica moderna. Il gruppo di ricerca scientifica dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina ha dato contributi alla tecnologia di ricostruzione delle particelle di decadimento e ai calcoli dell'efficienza. Il lavoro di ricerca è sostenuto dalla Fondazione nazionale cinese per le scienze naturali, dal progetto scientifico e tecnologico prioritario strategico dell'Accademia cinese delle scienze e dal sostegno stabile dell'Accademia cinese delle scienze al piano del team giovanile di ricerca di base.