LHC(Large Hadron Collider)에서 중이온 간의 충돌로 인해 쿼크-글루온 플라즈마가 생성되었습니다. 이는 빅뱅 이후 약 100만분의 1초 이내에 우주를 가득 채운 것으로 여겨지는 고온의 밀도가 높은 물질 상태입니다. 중이온 충돌은 또한 원자핵과 이국적인 초핵은 물론 반물질 대응물인 반핵과 반초핵을 생성하는 데 적합한 조건을 만듭니다. 이러한 물질 형태를 측정하는 것은 플라즈마의 구성 쿼크와 글루온으로 강입자가 형성되는 과정과 오늘날 우주에서 볼 수 있는 물질-반물질 비대칭을 이해하는 데 도움을 주는 등 다양한 목적에 중요합니다.
초핵은 하나 이상의 외래 쿼크를 포함하는 불안정한 입자인 양성자, 중성자 및 초전자의 혼합물로 형성된 외래 핵입니다. 우주선에서 발견된 지 70년이 넘도록 초핵은 자연계에서 드물고 실험실에서 생성하고 연구하기가 어렵기 때문에 물리학자들에게 여전히 매력의 원천으로 남아 있습니다.
중이온 충돌에서는 초핵이 대량으로 생성되지만 최근까지 가장 가벼운 초핵 초트리톤과 그 반물질 파트너인 반슈퍼트리톤만 관찰되었습니다. 하이퍼트리톤은 양성자, 중성자 및 람다(이상한 쿼크를 포함하는 하이퍼론)로 구성됩니다. 반슈퍼트리톤은 반양성자, 반중성자, 반λ로 구성됩니다.
올해 초 RHIC(Relativistic Heavy Ion Collider)에서 STAR 공동작업으로 반초수소-4(1개의 반양성자, 2개의 반중성자 및 반람다의 조합)를 발견한 데 이어, LHC의 ALICE 공동연구는 이제 2개의 반양성자, 1개의 반중성자 및 1개의 반람다로 구성된 항초수소-4의 증거를 처음으로 발견했습니다. 이 결과는 3.5 표준편차로 매우 중요하며 LHC에서 발견된 가장 무거운 반물질 초핵에 대한 최초의 증거입니다.
ALICE 측정은 5.02테라전자볼트(TeV)의 에너지에서 충돌하는 각 핵자 쌍(양성자와 중성자)에 대해 2018년에 얻은 납-납 충돌 데이터를 기반으로 합니다. ALICE 연구원들은 기존의 초핵 검색 기술보다 뛰어난 기계 학습 기술을 사용하여 초수소-4, 초헬륨-4 및 반물질 파트너에 대한 신호 데이터를 조사했습니다. (반)하이퍼헬륨-4에 대한 후보는 (반)헬륨-4 핵과 이들이 붕괴되는 전하 파이온을 찾아 식별한 반면, (반)하이퍼헬륨-4에 대한 후보는 (반)헬륨-3 핵, (반)양성자 및 전하 파이온으로의 붕괴를 통해 식별했습니다.
3.5 표준편차의 유의성을 갖는 초헬륨-4에 대한 증거와 4.5 표준편차의 유의성을 갖는 초수소-4에 대한 증거를 찾는 것 외에도, ALICE 팀은 두 초핵의 수율과 질량도 측정했습니다.
두 슈퍼코어 모두 측정된 질량은 현재 세계 평균과 일치합니다. 측정된 수율은 중이온 충돌에서 강입자와 핵의 형성을 잘 설명하는 통계적 강입자화 모델의 예측과 비교되었습니다. 이 비교는 여기된 초핵 상태와 바닥 상태가 모두 예측에 포함된 경우 모델의 예측이 데이터와 잘 일치함을 보여줍니다. 결과는 통계적 하드론화 모델이 약 2펨토미터(1펨토미터는 10-15미터) 크기의 밀도가 높은 물체인 슈퍼코어의 생성을 잘 설명할 수 있음을 확인했습니다.
연구진은 또한 두 개의 초핵의 반입자 대 입자 수율 비율을 결정했으며 실험적 불확실성 내에서 1과 일치한다는 사실을 발견했습니다. 이 합의는 LHC 에너지에서 물질과 반물질의 동일한 생산에 대한 ALICE의 관찰과 일치하며 우주의 물질-반물질 불균형에 대한 지속적인 연구에 추가됩니다.