Illustration der Entstehung von Antihyperhelium-4 bei einer Kollision zwischen zwei Bleikernen.
Quelle: Janik Ditzel für die ALICE-Kollaboration
Dieser Atomkern, das Antihyperhelium-4, ist die Antimaterie-Version von Hyperhelium-4. Seine Entdeckung durch den ALICE-Detektor am LHC könnte helfen, eines der größten Rätsel der Physik zu lösen: Warum wird das Universum von Materie dominiert, obwohl Materie und Antimaterie beim Urknall in gleichen Mengen erzeugt wurden?
Der LHC, der in der Nähe von Genf liegt, ist berühmt für die Entdeckung des Higgs-Bosons, eines Schlüsselteilchens zum Verständnis der Masse anderer Teilchen. Die Kollisionen am LHC erzeugen einen Materiezustand, der als Quark-Gluon-Plasma bezeichnet wird und dem Zustand ähnelt, der unmittelbar nach dem Urknall herrschte. In diesem Plasma entstehen Hyperkerne und ihre Antimaterie-Gegenstücke.
Hyperkerne, die Protonen, Neutronen und Hyperonen enthalten, sind seltene und komplexe Strukturen. Hyperonen enthalten im Gegensatz zu Protonen und Neutronen sogenannte "seltsame" Quarks. Obwohl diese Objekte vor Jahrzehnten in kosmischer Strahlung entdeckt wurden, sind sie im Labor schwer zu untersuchen.
Die ALICE-Kollaboration hat das Antihyperhelium-4 entdeckt, indem sie Daten von Bleikern-Kollisionen aus dem Jahr 2018 analysierte. Diese Entdeckung wurde durch eine maschinelle Lerntechnik ermöglicht, die traditionelle Suchmethoden übertrifft. Die Wissenschaftler haben auch ihre Masse gemessen, wodurch die Vorhersagen aktueller Theorien bestätigt wurden.
Die Erforschung der Antimaterie könnte das Rätsel der Materie-Antimaterie-Asymmetrie beleuchten. Die Ergebnisse zeigen, dass Materie und Antimaterie im Quark-Gluon-Plasma in gleichen Mengen erzeugt werden, was das Rätsel der Dominanz der Materie im Universum verstärkt.
Was ist das Quark-Gluon-Plasma?
Das Quark-Gluon-Plasma ist ein Materiezustand, der unmittelbar nach dem Urknall existierte. In diesem Zustand sind Quarks und Gluonen, die fundamentalen Bestandteile von Protonen und Neutronen, nicht in Teilchen gebunden, sondern bilden eine dichte und heiße "Suppe".Dieser Zustand wird in Teilchenbeschleunigern wie dem LHC nachgebildet, indem Atomkerne bei extrem hohen Energien kollidieren. Diese Kollisionen ermöglichen es Wissenschaftlern, die Eigenschaften der Materie unter Bedingungen zu untersuchen, die den ersten Momenten des Universums ähneln.
Illustration von Antimaterie-Teilchen, die in den ALICE-Detektor am LHC eintreten.
Quelle: ORIGINS Cluster/S. Kwauka
Das Quark-Gluon-Plasma ist entscheidend, um zu verstehen, wie sich Quarks und Gluonen zu Protonen und Neutronen zusammensetzten, den Bausteinen der sichtbaren Materie im heutigen Universum.
Warum ist Antimaterie so selten?
Antimaterie ist das Gegenteil von Materie, mit Teilchen, die entgegengesetzte elektrische Ladungen haben. Zum Beispiel hat das Antiproton eine negative Ladung, im Gegensatz zum Proton, das positiv ist.Nach den aktuellen Theorien wurden Materie und Antimaterie beim Urknall in gleichen Mengen erzeugt. Eine winzige Asymmetrie führte jedoch zur Dominanz der Materie. Die genauen Gründe für diese Asymmetrie bleiben eines der größten Rätsel der Physik.
Die Erforschung der Antimaterie, wie zum Beispiel des Antihyperhelium-4, könnte Hinweise auf diese Asymmetrie liefern. Indem sie verstehen, wie und warum die Antimaterie verschwunden ist, hoffen Wissenschaftler, die Geheimnisse der ersten Momente des Universums zu entschlüsseln.