Nya resultat från precisionspartikeldetektorer vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ger en ny glimt av partikelinteraktionerna som äger rum i neutronstjärnornas kärnor och ger kärnfysiker ett nytt sätt att söka efter kränkningar av fundamentala symmetrier i universum. Resultaten, precis publicerat i Naturfysik , kunde endast erhållas vid en kraftfull jonkolliderare som RHIC, en US Department of Energy (DOE) Office of Science användaranläggning för kärnfysikforskning vid DOE:s Brookhaven National Laboratory.

Precisionsmätningarna avslöjar att bindningsenergin som håller samman komponenterna i den enklaste kärnan av "konstig materia", känd som en "hypertriton, " är större än vad som erhållits av tidigare, mindre precisa experiment. Det nya värdet kan ha viktiga astrofysiska implikationer för att förstå egenskaperna hos neutronstjärnor, där förekomsten av partiklar som innehåller så kallade "märkliga" kvarkar förutspås vara vanligt förekommande.

Den andra mätningen var en sökning efter en skillnad mellan massan av hypertriton och dess antimateriamotsvarighet, antihypertritonen (den första kärnan som innehåller en antikonstig kvarg, upptäcktes vid RHIC 2010). Fysiker har aldrig hittat en massaskillnad mellan materia-antimateriapartner så att se en skulle vara en stor upptäckt. Det skulle vara bevis på "CPT"-överträdelse - en samtidig kränkning av tre grundläggande symmetrier i naturen som hänför sig till återföring av laddning, paritet (spegelsymmetri), och tid.

"Fysiker har sett paritetsöverträdelser, och kränkning av CP tillsammans (var och en får ett Nobelpris för Brookhaven Lab[—), men aldrig CPT, " sa Brookhaven fysiker Zhangbu Xu, medtalesman för RHIC:s STAR-experiment, där hypertritonforskningen gjordes.

Men ingen har letat efter CPT-brott i hypertriton och antihypertriton, han sa, "för att ingen annan kunde ännu."

Det tidigare CPT-testet av den tyngsta kärnan utfördes av ALICE-samarbetet vid Europe's Large Hadron Collider (LHC), med ett mått på massskillnaden mellan vanlig helium-3 och antihelium-3. Resultatet, visar ingen signifikant skillnad, publicerades i Naturfysik under 2015.

Spoilervarning:STAR-resultaten avslöjar inte heller någon signifikant massaskillnad mellan materia-antimateria-partnerna som utforskades på RHIC, så det finns fortfarande inga bevis på brott mot CPT. Men det faktum att STAR-fysiker till och med kunde göra mätningarna är ett bevis på de anmärkningsvärda egenskaperna hos deras detektor.

Konstig sak

De enklaste kärnorna av normal materia innehåller bara protoner och neutroner, med var och en av dessa partiklar gjorda av vanliga "upp" och "ner" kvarkar. Vid hypertriton, en neutron ersätts av en partikel som kallas lambda, som innehåller en märklig kvarg tillsammans med de vanliga upp och ner sorterna.

Sådana konstiga materialersättningar är vanliga i de ultratäta förhållanden som skapas i RHIC:s kollisioner - och är sannolikt också i kärnorna av neutronstjärnor där en enda tesked materia skulle väga mer än 1 miljard ton. Det beror på att den höga densiteten gör det mindre kostsamt energimässigt att göra konstiga kvarkar än de vanliga upp- och nersorterna.

Av den anledningen, RHIC-kollisioner ger kärnfysiker ett sätt att titta in i subatomära interaktioner inom avlägsna stjärnobjekt utan att någonsin lämna jorden. Och eftersom RHIC-kollisioner skapar hypertritoner och antihypertritoner i nästan lika stora mängder, de erbjuder också ett sätt att söka efter CPT-överträdelser.

Men att hitta de sällsynta partiklarna bland de tusentals som strömmar från varje RHIC-partikelsmashup - med kollisioner som inträffar tusentals gånger varje sekund - är en skrämmande uppgift. Lägg till utmaningen att dessa instabila partiklar sönderfaller nästan så snart de bildas – inom centimeter från mitten av den fyra meter breda STAR-detektorn.

Precisionsdetektering

Lyckligtvis, detektorkomponenter som lagts till i STAR för att spåra olika typer av partiklar gjorde sökningen relativt enkel. Dessa komponenter, kallad "Heavy-Flavor Tracker, " ligger mycket nära STAR-detektorns centrum. De utvecklades och byggdes av ett team av STAR-samarbetspartners ledda av forskare och ingenjörer vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Dessa inre komponenter gör det möjligt för forskare att matcha spår skapade av förfall produkter av varje hypertriton och antihypertriton med sin ursprungspunkt strax utanför kollisionszonen.

"Vad vi letar efter är "dotter"-partiklarna - sönderfallsprodukterna som träffar detektorkomponenter vid de yttre kanterna av STAR, ", sa Berkeley Lab-fysikern Xin Dong. Att identifiera spår av par eller trillingar av dotterpartiklar som härstammar från en enda punkt strax utanför den primära kollisionszonen gör det möjligt för forskarna att plocka ut dessa signaler från havet av andra partiklar som strömmar från varje RHIC-kollision.

"Då beräknar vi rörelsemängden för varje dotterpartikel från ett sönderfall (baserat på hur mycket de böjer sig i STARs magnetfält), och utifrån det kan vi rekonstruera deras massor och massan av moderhypertritonen eller antihypertritonpartikeln innan den sönderföll, " förklarade Declan Keane från Kent State University (KSU). Att skilja hypertriton och antihypertriton från varandra är lätt eftersom de förfaller till olika döttrar, han lade till.

"Keanes team, inklusive Irakli Chakeberia, har specialiserat sig på att spåra dessa partiklar genom detektorerna för att "koppla ihop prickarna, "" sa Xu. "De gav också välbehövlig visualisering av händelserna."

Som noterat, sammanställning av data från många kollisioner avslöjade ingen massskillnad mellan materia och antimateriahyperkärnor, så det finns inga bevis för CPT-överträdelse i dessa resultat.

Men när STAR-fysiker tittade på deras resultat för bindningsenergin hos hypertriton, det visade sig vara större än vad tidigare mätningar från 1970-talet hade hittat.

STAR-fysikerna härledde bindningsenergin genom att subtrahera deras värde för hypertritonmassan från de kombinerade kända massorna av dess byggstenspartiklar:en deuteron (ett bundet tillstånd av en proton och en neutron) och en lambda.

"Hypertritonen väger mindre än summan av dess delar eftersom en del av den massan omvandlas till energin som binder samman de tre nukleonerna, " sa Fudan University STAR-samarbetspartner Jinhui Chen, vars Ph.D. studerande, Peng Liu, analyserade de stora datamängderna för att komma fram till dessa resultat. "Denna bindande energi är verkligen ett mått på styrkan i dessa interaktioner, så vår nya mätning kan ha viktiga konsekvenser för att förstå "tillståndsekvationen" för neutronstjärnor, " han lade till.

Till exempel, i modellberäkningar, massan och strukturen hos en neutronstjärna beror på styrkan i dessa interaktioner. "Det finns ett stort intresse för att förstå hur dessa interaktioner - en form av den starka kraften - är olika mellan vanliga nukleoner och konstiga nukleoner som innehåller ner, och konstiga kvarkar, ", sa Chen. "Eftersom dessa hyperkärnor innehåller en enda lambda, detta är ett av de bästa sätten att göra jämförelser med teoretiska förutsägelser. Det reducerar problemet till sin enklaste form."