Det internationella ALICE-samarbetet vid Large Hadron Collider (LHC) har just släppt de mest exakta mätningarna hittills av två egenskaper hos en hyperkärna som kan finnas i neutronstjärnornas kärnor.

Atomkärnor och deras antimateriamotsvarigheter, kända som antinuklei, produceras ofta vid LHC i högenergikollisioner mellan tunga joner eller protoner. På en mindre frekvent men fortfarande regelbunden basis bildas också instabila kärnor som kallas hyperkärnor. Till skillnad från normala kärnor, som bara består av protoner och neutroner (det vill säga nukleoner), är hyperkärnor också uppbyggda av hyperoner – instabila partiklar som innehåller kvarkar av den märkliga typen.

Nästan 70 år sedan de först observerades i kosmisk strålning, fortsätter hyperkärnor att fascinera fysiker eftersom de sällan produceras i den naturliga världen och även om de traditionellt tillverkas och studeras i lågenergikärnfysikexperiment, är det extremt utmanande att mäta deras egenskaper.

Vid LHC skapas hyperkärnor i betydande mängder vid kollisioner med tunga joner, men den enda hypernukleus som hittills observerats vid kollideraren är den lättaste hypernukleus, hypertritonen, som består av en proton, en neutron och en Lambda – en hyperon som innehåller en märklig kvarg.

I sin nya studie undersökte ALICE-teamet ett prov på cirka tusen hypertritoner som producerades i bly-bly-kollisioner som inträffade i LHC under dess andra körning. När de väl har bildats i dessa kollisioner flyger hypertritonerna några centimeter inne i ALICE-experimentet innan de sönderfaller till två partiklar, en helium-3-kärna och en laddad pion, som ALICE-detektorerna kan fånga och identifiera. ALICE-teamet undersökte dessa dotterpartiklar och spåren de lämnar i detektorerna.

Genom att analysera detta prov av hypertritoner, ett av de största tillgängliga för dessa "märkliga" kärnor, kunde ALICE-forskarna få de mest exakta mätningarna hittills av två av hypertritonens egenskaper:dess livslängd (hur lång tid det tar att sönderfalla) och energi som krävs för att separera dess hyperon, lambda, från de återstående beståndsdelarna.

Dessa två egenskaper är grundläggande för att förstå den inre strukturen hos denna hyperkärna och, som en konsekvens, karaktären av den starka kraft som binder samman nukleoner och hyperoner. Studiet av denna kraft är inte bara intressant i sig utan kan också erbjuda värdefull insikt i de partikelinteraktioner som kan äga rum i neutronstjärnornas inre kärnor. Dessa kärnor, som är mycket täta, förutspås gynna skapandet av hyperoner framför rent nukleonisk materia.

De nya ALICE-mätningarna indikerar att interaktionen mellan hypertritonets hyperon och dess två nukleoner är extremt svag:Lambdaseparationsenergin är bara några tiotals kiloelektronvolt, liknande energin från röntgenstrålar som används vid medicinsk bildbehandling, och hypertritonens livslängd är kompatibel med gratis Lambda.

Dessutom, eftersom materia och antimateria produceras i nästan lika mängder vid LHC, kunde ALICE-samarbetet också studera antihypertritoner och bestämma deras livslängd. Teamet fann att inom den experimentella osäkerheten i mätningarna har antihypertriton och hypertriton samma livslängd. Att hitta till och med en liten skillnad mellan de två livstiderna kan signalera att en grundläggande symmetri i naturen, CPT-symmetri, bryts.

Med data från den tredje omgången av LHC, som startade på allvar i juli, kommer ALICE inte bara att ytterligare undersöka egenskaperna hos hypetritonen utan kommer också att utöka sina studier till att omfatta tyngre hyperkärnor. + Utforska vidare

Lätt kärna förutspås vara stabil trots att den har två konstiga kvarkar