Ny innsikt i partikkelinteraksjonene som kan finne sted i hjertet til nøytronstjerner

Det internasjonale ALICE-samarbeidet ved Large Hadron Collider (LHC) har nettopp gitt ut de mest presise målingene til dags dato av to egenskaper til en hyperkjerne som kan eksistere i kjernene til nøytronstjerner.

Atomkjerner og deres antimaterie-motstykker, kjent som antinuclei, produseres ofte ved LHC i høyenergikollisjoner mellom tunge ioner eller protoner. På en sjeldnere, men fortsatt regelmessig basis, dannes også ustabile kjerner kalt hyperkjerner. I motsetning til normale kjerner, som bare består av protoner og nøytroner (det vil si nukleoner), består hyperkjerner også av hyperoner—ustabile partikler som inneholder kvarker av den merkelige typen.

Nesten 70 år siden de først ble observert i kosmiske strålerfortsetter hyperkjerner å fascinere fysikere fordi de sjelden produseres i naturlig verden og selv om de tradisjonelt er laget og studert i lavenergi-kjernefysikkeksperimenter, er det ekstremt utfordrende å måle egenskapene deres.

Ved LHC dannes hyperkjerner i betydelige mengder ved kollisjoner med tunge ioner, men den eneste hyperkjernen som er observert ved kollideren så langt er den letteste hyperkjernen, hypertritonet, som er sammensatt av et proton, et nøytron og en Lambda – et hyperon som inneholder en merkelig kvark.

I sin nye studie undersøkte ALICE-teamet en prøve på rundt tusen hypertritoner produsert i bly-bly-kollisjoner som skjedde i LHC under den andre kjøringen. Når de er dannet i disse kollisjonene, flyr hypertritonene noen få centimeter inne i ALICE-eksperimentet før de forfaller til to partikler, en helium-3-kjerne og en ladet pion, som ALICE-detektorene kan fange og identifisere. ALICE-teamet undersøkte disse datterpartiklene og sporene de etterlater seg i detektorene.

Ved å analysere denne prøven av hypertritoner, en av de største tilgjengelige for disse “merkelige” kjernene, var ALICE-forskerne i stand til å oppnå de mest presise målingene til nå av to av hypertritonets egenskaper: levetiden (hvor lang tid det tar å forfalle) og energi som kreves for å skille dens hyperon, Lambdaen, fra de gjenværende bestanddelene.

Disse to egenskapene er grunnleggende for å forstå den indre strukturen til denne hyperkjernen og, som en konsekvens, naturen til den sterke kraften som binder nukleoner og hyperoner sammen. Studiet av denne kraften er ikke bare interessant i seg selv, men kan også tilby verdifull innsikt i partikkelinteraksjonene som kan finne sted i de indre kjernene til nøytronstjerner. Disse kjernene, som er veldig tette, er spådd å favorisere dannelsen av hyperoner fremfor rent nukleonisk materie.

De nye ALICE-målingene indikerer at interaksjonen mellom hypertritonets hyperon og dets to nukleoner er ekstremt svak: Lambda-separasjonsenergien er bare noen få titalls kiloelektronvolt, lik energien til røntgenstråler som brukes i medisinsk bildediagnostikkog hypertritonets levetid er kompatibel med den frie Lambdaen.

I tillegg, siden materie og antimaterie produseres i nesten like mengder ved LHC, var ALICE-samarbeidet også i stand til å studere antihypertritoner og bestemme levetiden deres. Teamet fant at innenfor den eksperimentelle usikkerheten til målingene, har antihypertriton og hypertriton samme levetid. Å finne selv en liten forskjell mellom de to levetidene kan signalisere brudd på en grunnleggende symmetri i naturen, CPT-symmetri.

Med data fra den tredje kjøringen av LHC, som startet for alvor i juli, vil ALICE ikke bare undersøke egenskapene til hypetritonet ytterligere, men vil også utvide studiene til å omfatte tyngre hyperkjerner.

---

---