De ce Universul nostru este plin de materie și nu de antimaterie? Această întrebare, care constituie și una dintre cele mai mari enigme din fizică, a găsit probabil începuturile unui răspuns datorită unei descoperiri istorice făcute la Large Hadron Collider (LHC). Oamenii de știință au detectat într-adevăr cea mai grea particule de antimaterie observată vreodată: antihiperheliu-4. Această descoperire oferă o perspectivă unică asupra condițiilor Universului la scurt timp după Big Bang.
Large Hadron Collider (LHC) este cel mai puternic accelerator de particule din lume, situat în apropiere de Geneva, Elveția. Această mașină colosală folosește un inel lung de 27 de kilometri pentru a ciocni particulele subatomice la viteze apropiate de viteza luminii. Aceste ciocniri reproduc condițiile Universului timpuriu la mai puțin de o secundă după Big Bang. LHC a revoluționat deja știința, în 2012, odată cu descoperirea bosonului Higgs, supranumit particula lui Dumnezeu, care joacă un rol crucial în înțelegerea masei particulelor. Astăzi, depășește din nou limitele cunoștințelor noastre dezvăluind informații despre asimetria dintre materie și antimaterie.
În zorii Universului, imediat după Big Bang, materia și antimateria erau prezente în cantități egale. Deși opuse, aceste două forme de particule au proprietăți identice, dar sarcini electrice opuse. Când o particulă de materie se întâlnește cu omoloaga sa din antimaterie, ele se anihilează reciproc, transformându-și masa într-o cantitate enormă de energie conform celebrei ecuații a lui Einstein: E=mc2. Astfel, legile fundamentale ale fizicii sugerează că în momentul Big Bang-ului, materia și antimateria ar fi trebuit să se anihileze complet reciproc, lăsând în urmă un cosmos plin doar cu particule de lumină și fără masă, precum fotonii. Cu toate acestea, în ciuda acestor interacțiuni distructive, Universul așa cum îl cunoaștem este aproape în întregime alcătuit din materie. Însăși existența galaxiilor, a stelelor, a planetelor și a vieții este o dovadă directă că materia a prevalat cumva. Întrebarea centrală este așadar: de ce a câștigat materia avantajul față de antimaterie? O posibilă explicație constă în existența unor dezechilibre subtile în proprietățile particulelor elementare, pe care fizicienii le numesc încălcări ale simetriei fundamentale. De exemplu, experimentele au arătat că unele particule, cum ar fi kaonii și neutrinii, se comportă ușor diferit față de omologii lor de antimaterie. Aceste încălcări, deși mici, ar fi putut juca un rol crucial în dominația materialului. Aceste asimetrii măsurate în laboratoare nu sunt suficiente pentru a explica imensa disproporție dintre materie și antimaterie din Univers. Cercetătorii cred că ar putea exista încă mecanisme necunoscute, legate de interacțiuni sau particule pe care nu le-am descoperit încă. Aici experimentele desfășurate în instalații precum Large Hadron Collider (LHC) capătă semnificația lor deplină: fac posibilă recrearea condițiilor extreme ale Universului timpuriu și studierea modului în care ar putea apărea aceste asimetrii.
Oamenii de știință au detectat recent o particulă de antimaterie extrem de rară și complexă: antihiperheliu-4. Această particulă este o versiune de antimaterie a unui hipernucleu, o structură atomică neobișnuită care conține protoni, neutroni și o particulă exotică numită hiperon. Ea a fost descrisă într-o postare pe baza de preprinturi arXiv.
Spre deosebire de nucleele atomice convenționale, hiperonii conțin quarci ciudați pe lângă quarcii sus și jos care formează protonii și neutronii obișnuiți. Acești hipernuclee sunt greu de observat deoarece se dezintegrează foarte repede. În acest context, detectarea versiunii lor de antimaterie, cum ar fi antihiperheliu-4, este o performanță științifică majoră.
Acest progres a fost posibil datorită detectorului ALICE, unul dintre instrumentele LHC concepute pentru a studia plasma quarc-gluon. Această plasmă este o „supă” primordială de quarci și gluoni, similară cu cea care a umplut Universul la o milionime de secundă după Big Bang. Pentru a recrea această plasmă, oamenii de știință au folosit ciocniri de ioni grei, în special nuclee de plumb, care eliberează energie fenomenală. Aceste condiții extreme permit formarea hipernucleelor și a omologelor lor din antimaterie. Analizând datele de la coliziunile plumb-plumb efectuate în 2018, cercetătorii au identificat în cele din urmă semnătura unică a antihiperheliului-4. Această detectare a fost posibilă prin utilizarea unor tehnici avansate de învățare automată care au depășit metodele tradiționale în izolarea unor astfel de semnale slabe.
Descoperirea antihiperheliului-4 are implicații profunde pentru înțelegerea noastră a Universului. În primul rând, confirmă faptul că materia și antimateria sunt produse în cantități egale în condițiile extreme recreate la LHC. Acest lucru întărește ideea că asimetria materie-antimaterie a apărut după Big Bang, dar mecanismul exact rămâne necunoscut. În al doilea rând, această descoperire validează modelele teoretice actuale ale fizicii particulelor, în special cele care descriu comportamentul quarcilor în medii cu energie înaltă. De asemenea, deschide calea spre continuarea cercetărilor asupra antimateriei și proprietăților sale.
Studiul acestor particule exotice ar putea oferi indicii esențiale pentru a rezolva misterul asimetriei cosmice. Înțelegerea de ce a preluat materia ar putea nu numai să arunce lumină asupra istoriei Universului, ci și să ne transforme viziunea asupra fizicii fundamentale.
