Los nuevos resultados de los detectores de partículas de precisión en el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista (RHIC) ofrecen una nueva visión de las interacciones de partículas que tienen lugar en los núcleos de las estrellas de neutrones y brindan a los físicos nucleares una nueva forma de buscar violaciones de simetrías fundamentales en el universo. Los resultados, recién publicado en Física de la naturaleza , solo podría obtenerse en un poderoso colisionador de iones como RHIC, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) para la investigación de la física nuclear en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE.

Las mediciones de precisión revelan que la energía de enlace que mantiene unidos los componentes del núcleo más simple de "materia extraña", conocido como "hipertritón, "es mayor que la obtenida por la anterior, experimentos menos precisos. El nuevo valor podría tener importantes implicaciones astrofísicas para comprender las propiedades de las estrellas de neutrones, donde se predice que la presencia de partículas que contienen los llamados quarks "extraños" será común.

La segunda medida fue una búsqueda de una diferencia entre la masa del hipertritón y su contraparte de antimateria, el antihipertriton (el primer núcleo que contiene un quark antiestrange, descubierto en RHIC en 2010). Los físicos nunca han encontrado una diferencia de masa entre las parejas materia-antimateria, por lo que ver una sería un gran descubrimiento. Sería evidencia de una violación "CPT":una violación simultánea de tres simetrías fundamentales en la naturaleza relacionadas con la revocación de cargos, paridad (simetría especular), y tiempo.

"Los físicos han visto una violación de la paridad, y violación de CP juntos (cada uno ganando un Premio Nobel por Brookhaven Lab [-), pero nunca CPT, "dijo el físico de Brookhaven Zhangbu Xu, co-portavoz del experimento STAR de RHIC, donde se realizó la investigación de hipertriton.

Pero nadie ha buscado una violación de CPT en el hypertriton y antihypertriton, él dijo, "porque nadie más pudo todavía".

La prueba CPT anterior del núcleo más pesado fue realizada por la colaboración de ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones de Europa (LHC), con una medida de la diferencia de masa entre el helio-3 ordinario y el antihelio-3. El resultado, sin mostrar diferencia significativa, fue publicado en Física de la naturaleza en 2015.

Alerta de spoiler:los resultados de STAR tampoco revelan una diferencia de masa significativa entre los socios materia-antimateria explorados en RHIC, por lo que todavía no hay evidencia de violación CPT. Pero el hecho de que los físicos de STAR pudieran incluso hacer las mediciones es un testimonio de las notables capacidades de su detector.

Materia extraña

Los núcleos de materia normal más simples contienen solo protones y neutrones, con cada una de esas partículas hechas de quarks ordinarios "up" y "down". En hipertritones, un neutrón es reemplazado por una partícula llamada lambda, que contiene un quark extraño junto con las variedades ordinarias hacia arriba y hacia abajo.

Estos extraños reemplazos de materia son comunes en las condiciones ultradensas creadas en las colisiones de RHIC, y también es probable que se encuentren en los núcleos de las estrellas de neutrones, donde una sola cucharadita de materia pesaría más de mil millones de toneladas. Esto se debe a que la alta densidad hace que sea menos costoso en términos energéticos fabricar quarks extraños que las variedades normales de arriba y abajo.

Por esta razón, Las colisiones RHIC brindan a los físicos nucleares una forma de observar las interacciones subatómicas dentro de objetos estelares distantes sin tener que abandonar la Tierra. Y debido a que las colisiones RHIC crean hipertritones y antihipertritones en cantidades casi iguales, también ofrecen una forma de buscar infracciones CPT.

Pero encontrar esas partículas raras entre las miles que fluyen de cada aplastamiento de partículas RHIC, con colisiones que ocurren miles de veces por segundo, es una tarea abrumadora. Agregue al desafío el hecho de que estas partículas inestables se desintegran casi tan pronto como se forman, a centímetros del centro del detector STAR de cuatro metros de ancho.

Detección de precisión

Afortunadamente, Los componentes del detector agregados a STAR para rastrear diferentes tipos de partículas hicieron que la búsqueda fuera relativamente fácil. Estos componentes, llamado "Rastreador de sabor intenso, "están ubicados muy cerca del centro del detector STAR. Fueron desarrollados y construidos por un equipo de colaboradores de STAR liderados por científicos e ingenieros del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del DOE. Estos componentes internos permiten a los científicos hacer coincidir las pistas creadas por la descomposición productos de cada hypertriton y antihypertriton con su punto de origen justo fuera de la zona de colisión.

"Lo que buscamos son las partículas 'hijas', los productos de descomposición que golpean los componentes del detector en los bordes exteriores de STAR, ", dijo Xin Dong, físico del Berkeley Lab. La identificación de pistas de pares o tripletes de partículas hijas que se originan en un solo punto justo fuera de la zona de colisión primaria permite a los científicos captar estas señales del mar de otras partículas que fluyen de cada colisión RHIC.

"Luego calculamos el impulso de cada partícula hija a partir de una desintegración (en función de cuánto se doblan en el campo magnético de STAR), y a partir de eso podemos reconstruir sus masas y la masa de la partícula madre hipertriton o antihypertriton antes de que se descomponga, ", explicó Declan Keane de la Universidad Estatal de Kent (KSU). Distinguir el hipertritón del antihipertritón es fácil porque se descomponen en diferentes hijas, añadió.

"El equipo de Keane, incluyendo Irakli Chakeberia, se ha especializado en rastrear estas partículas a través de los detectores para 'conectar los puntos, '", Dijo Xu." También proporcionaron una visualización muy necesaria de los eventos ".

Como se ha señalado, la recopilación de datos de muchas colisiones no reveló ninguna diferencia de masa entre la materia y los hipernúcleos de antimateria, por lo que no hay evidencia de violación CPT en estos resultados.

Pero cuando los físicos de STAR observaron sus resultados para la energía de enlace del hipertritón, resultó ser más grande de lo que habían encontrado mediciones anteriores de la década de 1970.

Los físicos de STAR derivaron la energía de enlace restando su valor para la masa de hipertritón de las masas conocidas combinadas de sus partículas de bloques de construcción:un deuterón (un estado ligado de un protón y un neutrón) y una lambda.

"El hipertritón pesa menos que la suma de sus partes porque parte de esa masa se convierte en la energía que une los tres nucleones, "dijo el colaborador de STAR de la Universidad de Fudan, Jinhui Chen, cuyo Ph.D. estudiante, Peng Liu, analizó los grandes conjuntos de datos para llegar a estos resultados. "Esta energía de enlace es realmente una medida de la fuerza de estas interacciones, por lo que nuestra nueva medición podría tener implicaciones importantes para comprender la 'ecuación de estado' de las estrellas de neutrones, "añadió.

Por ejemplo, en los cálculos del modelo, la masa y la estructura de una estrella de neutrones depende de la fuerza de estas interacciones. "Existe un gran interés en comprender cómo estas interacciones, una forma de fuerza fuerte, son diferentes entre los nucleones ordinarios y los nucleones extraños que contienen, abajo, y quarks extraños, ", Dijo Chen." Debido a que estos hipernúcleos contienen una sola lambda, esta es una de las mejores formas de hacer comparaciones con predicciones teóricas. Reduce el problema a su forma más simple ".