STAR observe l’antihyperhydrogène-4 lors de collisions d’ions RHIC passées

Le détecteur STAR (Suivi solénoïdal au RHIC) peut observer les antinoyaux d’antimatière produits lors des collisions d’ions lourds RHIC (Collisionneur d’ions lourds relativistes), à la BNL (Laboratoire national de Brookhaven), près de New York ; En 2011, il a publié dans Science son observation de l’antihélium-4, formé de deux antiprotons et de deux antineutrons. On peut également observer des antihypernoyaux d’antimatière, dans lesquels un antineutron est remplacé par un antihyperon lambda ; En 2010, il a publié dans Nature son observation de l’antihyperhydrogène-3, formé d’un antiproton, d’un antineutron et d’un antilambda. Publiez maintenant sur Nature l’observation de l’antihyperhydrogène-4, composé d’un antiproton, de deux antineutrons et d’un antilambda. 15,6 ± 4,7 événements candidats pour cet hypernoyau ont été observés, sur un fond estimé à 6,4 ± 0,4, après analyse de 6 400 millions de collisions d’ions lourds (U+U, Au+Au, Ru+Ru et Zr+Zr) à 200 GeV cm (sauf les U+U qui étaient à 193 GeV cm). La signification statistique est estimée à 4,8 sigmas (écarts types), soit près de 5 sigmas. On ne peut dire qu’il a été découvert que lorsqu’il est observé indépendamment par un autre collisionneur (peut-être le détecteur ALICE du LHC du CERN).

Je vous rappelle que l’antiproton () de charge électrique −1 est formé de trois antiquarks de valence, deux au dessus () de charge électrique −2/3 et une en dessous () charge électrique +1/3 ; l’antineutron () de charge électrique 0 est formé de trois antiquarks de valence, un au dessus () de charge électrique −2/3 et deux en dessous () charge électrique +1/3 ; et l’antilambda () de charge électrique 0 est formé de trois antiquarks de valence, un au dessus () de charge électrique −2/3, un vers le bas () de charge électrique +1/3 et un autre étrange () charge électrique +1/3. En comparant les demi-vies des hypernoyaux et des anti-hypernoyaux, on peut rechercher d’éventuelles violations de la symétrie CPT (qui prédit qu’il n’y aura pas de différence entre matière et antimatière). La différence entre les demi-vies du deutériolamda et antihyperhydrogène-3 est τ() − τ() = 16 ± 43(stat.) ± 20(sys.) ps (picosecondes), et entre ceux du trithiolamda et antihyperhydrogène-4 est τ()− τ() = 18 ± 115(stat.) ± 46(sys.) ps ; les deux sont compatibles avec zéro, ce qui confirme l’invariance CPT pour les hypernoyaux étudiés.

En science, un résultat attendu semble moins intéressant (car il lui manque le facteur de surprise). Cependant, l’exploration d’éventuelles violations des symétries fondamentales (telles que la symétrie CPT) constitue la voie la plus efficace vers la physique au-delà du modèle standard. Par conséquent, ces types de résultats doivent être évalués dans ce contexte. L’article est STAR Collaboration, «Observation de l’hypernoyau d’antimatière ,» Nature 632 : 1026-1031 (21 août 2024), doi : https://doi.org/10.1038/s41586-024-07823-0, arXiv:2310.12674 [nucl-ex] (19 octobre 2023) ; je recommande également la citation de Hao Qiu, « Observation of antimatter hyperhydrogen-4 at STAR », Conférence internationale sur les atomes exotiques et les sujets connexes et conférence sur les antiprotons de basse énergie (EXA/LEAP 2024), 25-30 août 2024 [indico; slides PDF]. En effet, il a cité The STAR Collaboration, « Observation of an Antimatter Hypernucleus », Science 328 : 58-62 (4 mars 2010), doi : https://doi.org/10.1126/science.1183980, arXiv:1003.2030 [nucl-ex] (10 mars 2010) ; et The STAR Collaboration, « Observation du noyau d’antimatière hélium-4 », Nature 473 : 353-356 (24 avril 2011), doi : https://doi.org/10.1038/nature10079, arXiv:1103.3312 [nucl-ex] (16 mars 2011).

Ce chiffre rappelle la date de publication des principales découvertes dans le domaine de l’antimatière : positron (1932), prix Nobel en 1936, antiproton (1955), prix Nobel 1959, antineutron (1956), antilambda (il semble dire 1958, mais nous sommes en 1961), antideutérium (1965), antihélio-3 (1970), antitritio (1974), antihyperhydrogène-3 (2010), antihélio-4 (2011) et le nouvel antihyperhydrogène-4 (2024). D’ailleurs, plusieurs antiparticules sont absentes de la figure : l’antineutrino électronique (1956), prix Nobel en 1995, l’antineutrino muonique (1962), prix Nobel en 1988, l’antineutrino tauon (2000). Il manque également les antinoyaux fabriqués au CERN, qui ont commencé avec l’antihydrogène (1996). Je vous recommande mon article “Antimatière” dans TRÈS Intéressant sur ce sujet (LCMF, 7 juillet 2024).

Comme le montre cette figure, 24,4 ± 6,1 événements candidats pour l’hyperhydrogène-4 ont été observés, sur un fond estimé de 16,6 ± 0,6, et 15,6 ± 4,7 événements candidats pour l’antihyperhydrogène-4, sur un fond estimé de 6,4 ± 0,4. Par conséquent, environ 10 antihyperhydrogène-4 ont été observés, ce qui implique une signification statistique de 4,8 sigmas (écarts types) ; De plus, la largeur du pic observé est compatible avec la prédiction théorique avec une signification de 4,7 sigma. Ayant atteint presque 5 sigma, elle est considérée comme la première observation (type découverte) de cet antihypernoyau. Comme toujours, une observation indépendante à partir d’un autre collisionneur d’ions lourds (peut-être ALICE au LHC) est nécessaire avant que la découverte définitive (à attribuer au STAR du RHIC) puisse être revendiquée.

La comparaison entre la physique de la matière et les hypernoyaux d’antimatière permet d’étudier d’éventuelles asymétries (non encore détectées) entre matière et antimatière. Dans cet article, l’éventuel non-respect de la symétrie CPT dans les désintégrations de ces hypernoyaux a été étudié. Les demi-vies des hypernoyaux et de leurs antihypernoyaux ont été comparées, puisque la symétrie CPT prédit que leur différence doit être exactement nulle. Les incertitudes sont grandes (puisque le nombre d’hypernoyaux et d’antihypernoyaux observés est faible). Les différences entre ces demi-vies de l’hyperhydrogène-3 et de l’antihyperhydrogène-3 ont été obtenues comme étant de 16 ± 43 (stat.) ± 20 (sys.) ps = 16 ± 47 ps, et entre celles de l’hyperhydrogène-4 et de l’antihyperhydrogène -4. de 18 ± 115(stat.) ± 46(sys.) ps = 18 ± 124 ps ; Évidemment, les deux sont compatibles avec zéro. Ainsi, l’invariance du CPT est confirmée (même s’il faudrait l’ajouter, car il ne pourrait en être autrement, puisque tout non-respect aurait été pris avec un grand scepticisme, compte tenu des énormes incertitudes).