Colisões entre íons pesados ??no Large Hadron Collider (LHC) criam plasma de quarks-gluons, um estado quente e denso da matéria que se acredita ter preenchido o universo por volta de um milionésimo de segundo após o Big Bang. Colisões de íons pesados também criam condições adequadas para a produção de núcleos atômicos e hipernúcleos exóticos, bem como suas contrapartes de antimatéria, antinúcleos e antihipernúcleos.

Medições dessas formas de matéria são importantes para vários propósitos, incluindo ajudar a entender a formação de hádrons a partir dos quarks e glúons constituintes do plasma e a assimetria matéria-antimatéria observada no universo atual.

Hipernúcleos são núcleos exóticos formados por uma mistura de prótons, nêutrons e hiperons, sendo estes últimos partículas instáveis contendo um ou mais quarks do tipo estranho. Mais de 70 anos após sua descoberta em raios cósmicos , os hipernúcleos continuam sendo uma fonte de fascínio para os físicos porque raramente são encontrados na natureza e é desafiador criá-los e estudá-los em laboratório.

Em colisões de íons pesados, hipernúcleos são criados em quantidades significativas, mas até recentemente apenas o hipernúcleo mais leve, o hipertríton , e seu parceiro de antimatéria, o antihipertríton , foram observados. Um hipertríton é composto de um próton, um nêutron e um lambda (um hiperon contendo um quark estranho). Um antihipertríton é composto de um antipróton, um antinêutron e um antilambda.

Logo após uma observação do anti-hiper-hidrogênio-4 (um estado ligado de um antipróton, dois antinêutrons e um antilambda), relatada no início deste ano pela colaboração STAR no Colisor de Íons Pesados Relativísticos (RHIC), a colaboração ALICE no LHC agora viu a primeira evidência do anti-hiperhélio-4, que é composto de dois antiprótons, um antinêutron e um antilambda.

O resultado tem uma significância de 3,5 desvios-padrão e também representa a primeira evidência do hipernúcleo de antimatéria mais pesado até agora no LHC. As descobertas são publicadas no servidor de pré-impressão arXiv .

A medição do ALICE é baseada em dados de colisão chumbo-chumbo obtidos em 2018 a uma energia de 5,02 teraeletronvolts (TeV) para cada par de núcleons em colisão (prótons e nêutrons). Usando uma técnica de aprendizado de máquina que supera as técnicas convencionais de busca de hipernúcleos, os pesquisadores do ALICE analisaram os dados em busca de sinais de hiperhidrogênio-4, hiperhélio-4 e seus parceiros de antimatéria.

Os candidatos para (anti)hiper-hidrogênio-4 foram identificados pela busca do núcleo (anti)hélio-4 e do píon carregado no qual ele decai, enquanto os candidatos para (anti)hiper-hélio-4 foram identificados por meio de sua decadência em um núcleo (anti)hélio-3, um (anti)próton e um píon carregado.

Além de encontrar evidências de anti-hiperhélio-4 com uma significância de 3,5 desvios-padrão, bem como evidências de anti-hiperhidrogênio-4 com uma significância de 4,5 desvios-padrão, a equipe do ALICE mediu os rendimentos de produção e as massas de ambos os hipernúcleos.

Para ambos os hipernúcleos, as massas medidas são compatíveis com os valores médios mundiais atuais. Os rendimentos de produção medidos foram comparados com previsões do modelo de hadronização estatística, que fornece uma boa descrição da formação de hádrons e núcleos em colisões de íons pesados.

Esta comparação mostra que as previsões do modelo concordam estreitamente com os dados se tanto os estados hipernucleares excitados quanto os estados fundamentais forem incluídos nas previsões. Os resultados confirmam que o modelo de hadronização estatística também pode fornecer uma boa descrição da produção de hipernúcleos, que são objetos compactos com tamanhos em torno de 2 femtômetros (1 femtômetro é 10 -15 metros).

Os pesquisadores também determinaram as taxas de rendimento de antipartícula para partícula para ambos os hipernúcleos e descobriram que elas concordam com a unidade dentro das incertezas experimentais. Essa concordância é consistente com a observação de ALICE da produção igual de matéria e antimatéria nas energias do LHC e acrescenta à pesquisa em andamento sobre o desequilíbrio matéria- antimatéria no universo.