Las colisiones entre iones pesados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) crearon plasma de quarks y gluones, un estado denso y de alta temperatura de la materia que se cree que llenó el universo aproximadamente una millonésima de segundo después del Big Bang. Las colisiones de iones pesados también crean condiciones adecuadas para la creación de núcleos atómicos y supernúcleos exóticos, así como sus homólogos de antimateria, antinucleares y antisupernúcleos. Medir estas formas de materia es importante para diversos propósitos, incluido ayudar a comprender el proceso mediante el cual se formaron los hadrones a partir de los quarks y gluones constituyentes del plasma y la asimetría materia-antimateria que se observa en el universo actual.
Los hipernúcleos son núcleos exóticos formados a partir de una mezcla de protones, neutrones e hiperones, que son partículas inestables que contienen uno o más quarks exóticos. Más de 70 años desde su descubrimiento en los rayos cósmicos, los hipernúcleos siguen siendo una fuente de fascinación para los físicos porque son raros en la naturaleza y difíciles de crear y estudiar en el laboratorio.
En las colisiones de iones pesados se producen grandes cantidades de supernúcleos, pero hasta hace poco sólo se habían observado los supertritones supernucleares más ligeros y sus compañeros de antimateria, los antisupertritones. Los hipertritones están formados por protones, neutrones y lambda (un hiperón que contiene un quark extraño). Los antisupertritones están compuestos de antiprotones, antineutrones y antiλ.
Tras el descubrimiento del anti-superhidrógeno-4 (una combinación de un antiprotón, dos antineutrones y un anti-lambda) a principios de este año por parte de la colaboración STAR en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), la colaboración ALICE en el LHC ha descubierto por primera vez evidencia de anti-superhidrógeno-4, que consta de dos antiprotones, un antineutrón y un anti-lambda. El resultado es significativo con 3,5 desviaciones estándar y es la primera evidencia del supernúcleo de antimateria más pesado jamás descubierto en el LHC.
Las mediciones de ALICE se basan en datos de colisiones plomo-plomo obtenidos en 2018 para cada par de nucleones (protones y neutrones) que chocan con una energía de 5,02 teraelectronvoltios (TeV). Utilizando una técnica de aprendizaje automático que supera a las técnicas tradicionales de búsqueda de hipernúcleos, los investigadores de ALICE analizaron los datos de señales de superhidrógeno-4, superhelio-4 y sus socios de antimateria. Los candidatos para (anti)hiperhidrógeno-4 se identificaron buscando núcleos de (anti)helio-4 y los piones cargados en los que se desintegran, mientras que los candidatos para (anti)hiperhelio-4 se identificaron a través de su desintegración en núcleos de (anti)helio-3, (anti)protones y piones cargados.
Además de encontrar evidencia contra el superhelio-4 con una significancia de 3,5 desviaciones estándar y evidencia contra el superhidrógeno-4 con una significancia de 4,5 desviaciones estándar, el equipo de ALICE también midió los rendimientos y las masas de los dos supernúcleos.
Para ambos supernúcleos, las masas medidas coinciden con los promedios mundiales actuales. Los rendimientos medidos se compararon con las predicciones de un modelo estadístico de hadronización que describe bien la formación de hadrones y núcleos en colisiones de iones pesados. Esta comparación muestra que las predicciones del modelo concuerdan bien con los datos si en las predicciones se incluyen tanto los estados supernucleares excitados como los estados fundamentales. Los resultados confirmaron que el modelo estadístico de hadronización también puede describir bien la producción de supernúcleos, que son objetos densos con un tamaño de aproximadamente 2 femtómetros (1 femtómetro equivale a 10-15 metros).
Los investigadores también determinaron las proporciones de rendimiento de antipartícula a partícula de los dos supernúcleos y descubrieron que eran consistentes con 1 dentro de la incertidumbre experimental. Este acuerdo es consistente con la observación de ALICE de una producción igual de materia y antimateria en las energías del LHC, y se suma a la investigación en curso sobre el desequilibrio materia-antimateria en el universo.