Colisões entre íons pesados no Grande Colisor de Hádrons (LHC) criaram plasma de quark-glúon, um estado de matéria denso e de alta temperatura que se acredita ter preenchido o universo cerca de um milionésimo de segundo após o Big Bang. As colisões de íons pesados também criam condições adequadas para a criação de núcleos atômicos e supernúcleos exóticos, bem como de suas contrapartes de antimatéria, antinucleares e antisupernúcleos. Medir estas formas de matéria é importante para uma variedade de propósitos, incluindo ajudar a compreender o processo pelo qual os hádrons se formaram a partir dos quarks e glúons constituintes do plasma e a assimetria matéria-antimatéria observada no universo hoje.
Hipernúcleos são núcleos exóticos formados a partir de uma mistura de prótons, nêutrons e hiperons, que são partículas instáveis contendo um ou mais quarks exóticos. Mais de 70 anos desde a sua descoberta nos raios cósmicos, os hipernúcleos continuam a ser uma fonte de fascínio para os físicos porque são raros na natureza e difíceis de criar e estudar em laboratório.
Em colisões de íons pesados, os supernúcleos são produzidos em grande número, mas até recentemente, apenas os supertritões supernucleares mais leves e seus parceiros de antimatéria, os antisupertritões, foram observados. Os hipertritons são compostos de prótons, nêutrons e lambda (um hiperon contendo um quark estranho). Os anti-supertritões são compostos por antiprótons, antinêutrons e antiλ.
Após a descoberta do anti-superhidrogênio-4 (uma combinação de um antipróton, dois antinêutrons e um anti-lambda) no início deste ano pela colaboração STAR no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), a colaboração ALICE no LHC descobriu agora pela primeira vez evidências de anti-superhidrogênio-4, que consiste em dois antiprótons, um antinêutron e um anti-lambda. O resultado é significativo a 3,5 desvios padrão e é a primeira evidência do supernúcleo de antimatéria mais pesado já descoberto no LHC.
As medições ALICE são baseadas em dados de colisão chumbo-chumbo obtidos em 2018 para cada par de núcleons (prótons e nêutrons) colidindo a uma energia de 5,02 teraeletronvolts (TeV). Usando uma técnica de aprendizado de máquina que supera as técnicas tradicionais de busca de hipernúcleos, os pesquisadores do ALICE analisaram dados de sinais do superhidrogênio-4, superhélio-4 e seus parceiros de antimatéria. Candidatos para (anti) hiperhidrogênio-4 foram identificados procurando por núcleos de (anti) hélio-4 e os píons carregados nos quais eles decaem, enquanto os candidatos para (anti) hiperhélio-4 foram identificados através de seu decaimento em núcleos de (anti) hélio-3, (anti) prótons e píons carregados.
Além de encontrar evidências contra o superhélio-4 com uma significância de 3,5 desvios padrão e evidências contra o superhidrogênio-4 com uma significância de 4,5 desvios padrão, a equipe ALICE também mediu os rendimentos e massas dos dois supernúcleos.
Para ambos os supernúcleos, as massas medidas concordam com as médias mundiais atuais. Os rendimentos medidos foram comparados com as previsões de um modelo estatístico de hadronização que descreve bem a formação de hádrons e núcleos em colisões de íons pesados. Esta comparação mostra que as previsões do modelo concordam bem com os dados se tanto os estados supernucleares excitados como os estados fundamentais forem incluídos nas previsões. Os resultados confirmaram que o modelo estatístico de hadronização também pode descrever bem a produção de supernúcleos, que são objetos densos com tamanho de cerca de 2 femtômetros (1 femtômetro equivale a 10-15 metros).
Os pesquisadores também determinaram as razões de rendimento de antipartícula para partícula dos dois supernúcleos e descobriram que eram consistentes com 1 dentro da incerteza experimental. Este acordo é consistente com a observação do ALICE de produção igual de matéria e antimatéria nas energias do LHC, e contribui para a investigação em curso sobre o desequilíbrio matéria-antimatéria no universo.