Reliatyvistiniame sunkiųjų jonų priešpriešinių srautų greitintuve (Relativistic Heavy Ion Collider) mokslininkai, dalyvaujantys tarptautiniame STAR projekte, užregistravo helio antidalelę – antihelį-4. Ši naujoji dalelė, taip pat žinoma antialfa dalelės pavadinimu, yra sunkiausias antibranduolys iki šiol registruotas. Darbas atspausdintas „Nature“ žurnale.

Naujasis pasiektas rekordas, matyt, išliks ilgą laiką, mano mokslininkai, kadangi kitas sunkesnis antimedžiagos branduolys, kuris radioaktyviai nesuyra, pagal atliktus skaičiavimus turėtų būti sutinkamas apie milijoną kartų rečiau ir, todėl, nepasiekiamas naudojant dabartines technologijas.

„Šis atradimas išryškina nepaprastas greitintuvo galimybes tiriant fundamentalius klausimus, susijusius su medžiagos, antimedžiagos ir ankstyvosios visatos prigimtimi“, - pasakė Viljamas Brinkmenas, kuris yra JAV Brukhaveno nacionalinės laboratorijos Energijos departamento (U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory) direktorius.

Styvenas Vigdoras (Steven Vigdor) pasakė: „Jei ne pasiektas persilaužimas gretintuvų tecnologijoje ar visiškai naujo dalelių gavimo mechanizmo atradimas, tai, panašu, kad antihelis-4 būtų likusi sunkiausia dalelė, kuri būtų stebima artimoje ateityje“. Vigdoras vadovauja greitintuvo programai.

Galimybė sukurti ir tirti antimedžiagą sąlygomis, kurios yra panašios į egzistavusias ankstyvojoje visatoje, nėra nesvarbus dalykas. Viena iš didžiausių fizikos paslapčių yra susijusi su klausimu, kodėl mūsų visata yra sudaryta tik iš įprastos medžiagos, kai visiems žinoma, jog medžiaga ir antimedžiaga Didžiojo sprogimo (angl. Big Bang) metu buvo sukurtos vienodais kiekiais.

Greitintuve susidūrus aukso jonams, judantiems su greičiais artimais šviesos greičiui, buvo sukurtos sąlygos buvusios iš karto po Didžiojo sprogimo. Tokio susidūrimo metu pasirodė kvarkai ir antikvarkai. Manoma, kad kvarkų ir antikvarkų kiekiai buvo apytiksliai lygūs. Pagrindinė stabilios antimedžiagos, gautos greitintuve, dalis paliko aiškų signalą STAR detektoriuose. Vėliau ši antimedžiaga anihiliavo su įprasta medžiaga, buvusia išorinėse eksperimentinio įrenginio dalyse.

Atsijojus duomenis, gautus užregistravus apie pusę trilijono krūvį turinčių dalelių, kurios buvo sukurtos apie milijardą kartų siekiančių susidūrimų metu, STAR mokslininkai išskyrė aštuoniolika atvejų, atitinkančių antihelio-4 branduolį. Antihelis-4 yra sudarytas iš dviejų antiprotonų ir dviejų antineutronų, kurie branduolyje sudaro stabilią surištą būseną, kuri nepatiria radioaktyvaus skilimo. Antihelio-4 branduolys turi neigiamą elektrinį krūvį, kuris yra du kartus didesnis už elektrono krūvį, o jo masė yra labai artima keturgubai protono masei. Greitintuve gauti duomenys rodo, kad naujai atrasta anti-alfa dalelė aiškiai išsiskiria iš lengvesnių izotopų grupės ir turi atitinkamą masę.

Mokslininkai taip pat išmatavo antihelio-4 pasirodymo tikimybę ir gavo, kad ji sutampa su statistiniu antkvarkų, esančių kvarkų ir antikvarkų sriuboje, susijungimų skaičiumi. Kvarkų ir antikvarkų sriuba gaunama greitintuve dalelių susidūrimų metu. Faktas, kad susijungia dvylika antikvarkų ir jie sudaro sudėtingą antibranduolį su tikimybe, atitinkančia skaičiavimus, yra iš tikrųjų ypač nuostabus, žinant, kad viskas vyksta greitai besiplečiančios medžiagos, gyvuojančios labai trumpą laiką, metu.

Daugeliui mokslinių sričių, tame tarpe ieškančių naujų efektų kosmose, yra svarbu žinoti tokių antibranduolių atsiradimo tikimybę. Pavyzdžiui, gauti duomenys bus labai reikalingi eksperimentams, žinomiems Alfa magnetinio spektrometro (Alpha Magnetic Spectrometer - AMS) pavadinimu. Šie eksperimentai bus atliekami Tarptautinėje kosminėje stotyje ieškant antimedžiagos kosmose.

„Jei AMS gaus didelių antimedžiagos kiekių egzistavimo įrodymus kažkur kosmose, tai atlikti STAR eksperimentų matavimai suteiks kiekybinį pagrindą procesų spartoms palyginti, - pasakė STAR programos dalyvis Henkas Kroufordas (Hank Crawford), kuris dirba Kalifornijos universitete, esančiame Berklyje. - Antihelio-4 stebėjimai, gauti AMS eksperimente, gali reikšti didelių antimedžiagos kiekių egzistavimą kažkur mūsų visatos erdvėje, atskirtoje nuo įprastos medžiagos“.

2010 metais Europos CERN laboratorijoje startavo Didysis hadronų priešpriešinių srautų gretintuvas (Large Hadron Collider), kuriame taip pat yra tiriami branduolių susidūrimai, bet prie energijų daugiau nei eile didesnių nei Reliatyvistiniame sunkiųjų jonų priešpriešinių srautų greitintuve. Atliekamuose eksperimentuose taip pat yra galimybė ištirti antibranduolių susidarymą. Bus įdomu pamatyti, kas bus gauta šiuose bandymuose prie didesnių energijų.

„Antihelio-4 branduolio atradimas turi ir savo kitą prasmę. Prieš šimtą metų Ernestas Rezerfordas (Ernest Rutherford) atliko originalius eksperimentus su aukso folija. Eksperimentuose jis naudojo įprastos medžiagos helio-4 (alfa) daleles norėdamas nustatyti medžiagos struktūrą, - pasakė Brukhaveno laboratorijos fizikas Aihongas Tangas (Aihong Tang), kuris taip pat yra vedantysis straipsnio autorius. - Šie eksperimentai, atlikti 1911 metais, pirmą kartą nustatė atominių branduolių egzistavimą ir pradėjo dabartinę, supratimo apie atomų sandarą, epochą“.

Pirmajame paveikslėlyje parodytas dailininko piešinys, vaizduojantis antihelio-4 (anti-alfa dalelės) susidarymą susidūrimo Reliatyvistiniame sunkiųjų jonų priešpriešinių srautų greitintuve metu.

Antrajame paveikslėlyje parodytas grafikas, kuriame pateiktas oranžine spalva įprasto helio branduolių (He-3 ir He-4), ir mėlyna spalva jo antidalelių (antihelio-3 ir antihelio-4) registravimo duomenys. Abscisių ašyje atidėta dalelių masė, o ordinačių ašyje – stebėjimų skaičius. Grafike matyti, kad antimedžiagos branduolys (antihelio-4) yra aiškiai atskirtas nuo lengvesnių izotopų srities ir jis turi teisingą masę.

Trečiajame paveikslėlyje pavaizduotas labai didelis skaičius dalelių, gautų susidūrus aukso jonams, pėdsakų. Antihelio-4 branduolio pėdsakas parodytas raudona spalva. Eksperimente atliekami dalelių impulso ir masės matavimai. Iš didelio skaičiaus duomenų atrenkamos tik tos dalelės, kurios turi tam tikras charakteristikas.