Sekilas 'Aneh' menjadi bintang neutron dan pelanggaran simetri – Sains Terkini

Hasil baru dari detektor partikel presisi di Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) menawarkan sekilas baru interaksi partikel yang terjadi di inti bintang neutron dan memberikan fisikawan nuklir cara baru untuk mencari pelanggaran simetri fundamental di alam semesta. Hasilnya, baru diterbitkan di Fisika Alam, hanya dapat diperoleh pada penumbuk ion kuat seperti RHIC, fasilitas pengguna Kantor Ilmu Pengetahuan AS (DOE) untuk penelitian fisika nuklir di Brookhaven National Laboratory DOE.

Pengukuran presisi mengungkapkan bahwa energi pengikat menyatukan komponen-komponen inti "materi aneh" yang paling sederhana, yang dikenal sebagai "hipriton," lebih besar daripada yang diperoleh dari eksperimen sebelumnya yang kurang tepat. Nilai baru ini dapat memiliki implikasi astrofisika yang penting untuk memahami sifat-sifat bintang neutron, di mana keberadaan partikel yang mengandung apa yang disebut quark "aneh" diperkirakan umum.

Pengukuran kedua adalah pencarian perbedaan antara massa hipritriton dan antimateri, antihipertriton (nukleus pertama yang mengandung quark antistrange, ditemukan di RHIC pada 2010). Fisikawan tidak pernah menemukan perbedaan massa antara pasangan materi-antimateri sehingga melihat satu akan menjadi penemuan besar. Ini akan menjadi bukti pelanggaran "CPT" – pelanggaran simultan tiga simetri mendasar di alam yang berkaitan dengan pembalikan muatan, paritas (mirror simetri), dan waktu.

"Fisikawan telah melihat pelanggaran paritas, dan pelanggaran CP bersama-sama (masing-masing mendapatkan Hadiah Nobel untuk Brookhaven Lab (-), tetapi tidak pernah CPT," kata fisikawan Brookhaven Zhangbu Xu, co-juru bicara eksperimen STAR RHIC, di mana penelitian hiperriton dilakukan. selesai

Tetapi tidak ada yang mencari pelanggaran CPT pada hipertensi dan antihipertensi, katanya, "karena belum ada orang lain yang bisa melakukannya."

Tes CPT sebelumnya dari nukleus terberat sebelumnya dilakukan oleh kolaborasi ALICE di Large Hadron Collider (LHC) Eropa, dengan pengukuran perbedaan massa antara helium-3 biasa dan antihelium-3. Hasilnya, tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan, dipublikasikan di Fisika Alam pada tahun 2015.

Peringatan spoiler: Hasil STAR juga mengungkapkan tidak ada perbedaan massa yang signifikan antara mitra materi-antimateri yang dieksplorasi di RHIC, jadi masih belum ada bukti pelanggaran CPT. Tetapi fakta bahwa fisikawan STAR bahkan dapat melakukan pengukuran adalah bukti kemampuan luar biasa dari detektor mereka.

Hal aneh

Inti materi normal yang paling sederhana hanya mengandung proton dan neutron, dengan masing-masing partikel tersebut terbuat dari quark "naik" dan "turun" biasa. Pada hypertritons, satu neutron digantikan oleh partikel yang disebut lambda, yang berisi satu quark aneh bersama dengan varietas naik turun biasa.

Penggantian materi aneh seperti itu biasa terjadi dalam kondisi sangat padat yang tercipta dalam tabrakan RHIC – dan juga mungkin di inti bintang neutron di mana satu sendok teh materi akan berbobot lebih dari 1 miliar ton. Itu karena kepadatan tinggi membuatnya lebih hemat energi untuk membuat quark aneh daripada varietas naik dan turun biasa.

Untuk alasan itu, tabrakan RHIC memberi fisikawan nuklir cara untuk mengintip interaksi subatomik dalam objek bintang yang jauh tanpa pernah meninggalkan Bumi. Dan karena tabrakan RHIC menciptakan hiperriton dan antihipertriton dalam jumlah yang hampir sama, mereka menawarkan cara untuk mencari pelanggaran CPT juga.

Tetapi menemukan partikel langka di antara ribuan yang mengalir dari setiap smashup partikel RHIC – dengan tabrakan yang terjadi ribuan kali setiap detik – adalah tugas yang menakutkan. Menambah tantangan fakta bahwa partikel tidak stabil ini membusuk segera setelah terbentuk – dalam sentimeter dari pusat detektor STAR selebar empat meter.

Deteksi presisi

Untungnya, komponen detektor ditambahkan ke STAR untuk melacak berbagai jenis partikel yang membuat pencarian menjadi relatif mudah. Komponen-komponen ini, yang disebut "Heavy-Flavour Tracker," terletak sangat dekat dengan pusat detektor STAR. Mereka dikembangkan dan dibangun oleh tim kolaborator STAR yang dipimpin oleh ilmuwan dan insinyur di Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) DOE. Komponen dalam ini memungkinkan para ilmuwan untuk mencocokkan trek yang dibuat oleh produk peluruhan setiap hipriton dan antihipertriton dengan titik asal mereka tepat di luar zona tumbukan.

"Yang kami cari adalah partikel 'putri' – produk peluruhan yang menyerang komponen detektor di tepi luar STAR," kata fisikawan Berkeley Lab Xin Dong. Mengidentifikasi jejak pasangan atau kembar tiga partikel anak yang berasal dari satu titik di luar zona tumbukan primer memungkinkan para ilmuwan untuk mengambil sinyal-sinyal ini dari lautan partikel-partikel lain yang mengalir dari setiap tumbukan RHIC.

"Lalu kita menghitung momentum setiap partikel anak dari satu peluruhan (berdasarkan pada seberapa banyak mereka menekuk di medan magnet STAR), dan dari itu kita dapat merekonstruksi massa mereka dan massa partikel induk hipriton atau antihipertriton sebelum meluruh," jelasnya. Declan Keane dari Kent State University (KSU). Mengisahkan hipritriton dan antihipertriton itu mudah karena mereka membusuk menjadi anak perempuan yang berbeda, tambahnya.

"Tim Keane, termasuk Irakli Chakeberia, telah mengkhususkan diri dalam melacak partikel-partikel ini melalui detektor untuk 'menghubungkan titik-titik,'" kata Xu. "Mereka juga menyediakan visualisasi acara yang sangat dibutuhkan."

Seperti dicatat, mengumpulkan data dari banyak tabrakan mengungkapkan tidak ada perbedaan massa antara materi dan antimateri hypernuclei, sehingga tidak ada bukti pelanggaran CPT dalam hasil ini.

Tetapi ketika fisikawan STAR melihat hasil mereka untuk energi pengikat hipriton, ternyata lebih besar dari pengukuran sebelumnya dari tahun 1970-an telah ditemukan.

Fisikawan STAR memperoleh energi pengikat dengan mengurangi nilainya untuk massa hipriton dari massa gabungan partikel pembangunnya: deuteron (keadaan terikat proton dan neutron) dan satu lambda.

"Hipriton berbobot kurang dari jumlah bagian-bagiannya karena sebagian dari massa itu diubah menjadi energi yang mengikat ketiga nukleon bersama," kata kolaborator Fudan University STAR Jinhui Chen, yang mahasiswa PhD-nya, Peng Liu, menganalisis kumpulan data besar untuk sampai pada hasil ini. "Energi pengikat ini benar-benar ukuran kekuatan interaksi ini, sehingga pengukuran baru kami dapat memiliki implikasi penting untuk memahami 'persamaan keadaan' bintang neutron," tambahnya.

Misalnya, dalam perhitungan model, massa dan struktur bintang neutron bergantung pada kekuatan interaksi ini. "Ada minat besar untuk memahami bagaimana interaksi ini – suatu bentuk kekuatan yang kuat – berbeda antara nukleon biasa dan nukleon aneh yang mengandung quark atas, bawah, dan aneh," kata Chen. "Karena hypernuclei ini mengandung satu lambda tunggal, ini adalah salah satu cara terbaik untuk membuat perbandingan dengan prediksi teoretis. Ini mengurangi masalah menjadi bentuk yang paling sederhana."

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.