Botsingen tussen zware ionen bij de Large Hadron Collider (LHC) creëerden quark-gluonplasma, een hoge temperatuur, dichte toestand van materie waarvan wordt aangenomen dat deze het universum binnen ongeveer een miljoenste van een seconde na de oerknal heeft gevuld. Botsingen van zware ionen creëren ook geschikte omstandigheden voor het ontstaan van atoomkernen en exotische supernuclei, evenals hun antimaterie-tegenhangers, antinucleaire en antisupernuclei. Het meten van deze vormen van materie is belangrijk voor verschillende doeleinden, waaronder het helpen begrijpen van het proces waarbij hadronen gevormd worden uit de samenstellende quarks en gluonen van plasma en de asymmetrie tussen materie en antimaterie die we vandaag de dag in het universum zien.
Hypernuclei zijn exotische kernen gevormd uit een mengsel van protonen, neutronen en hyperonen, dit zijn onstabiele deeltjes die een of meer exotische quarks bevatten. Meer dan zeventig jaar na hun ontdekking in kosmische straling blijven hypernuclei een bron van fascinatie voor natuurkundigen, omdat ze zeldzaam van aard zijn en een uitdaging vormen om te creëren en te bestuderen in het laboratorium.
Bij botsingen met zware ionen worden supernuclei in grote aantallen geproduceerd, maar tot voor kort zijn alleen de lichtste supernucleaire supertritonen en hun antimateriepartners, de antisupertritonen, waargenomen. Hypertritonen bestaan uit protonen, neutronen en lambda (een hyperon dat een vreemde quark bevat). Anti-supertritonen zijn samengesteld uit antiprotonen, antineutronen en antiλ.
Na de ontdekking van anti-superwaterstof-4 (een combinatie van één antiproton, twee antineutronen en een anti-lambda) eerder dit jaar door de STAR-samenwerking bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), heeft de ALICE-samenwerking bij de LHC nu voor het eerst bewijs ontdekt van anti-superwaterstof-4, dat bestaat uit twee antiprotonen, één antineutron en een anti-lambda. Het resultaat is significant met een standaarddeviatie van 3,5 en is het eerste bewijs van de zwaarste antimaterie-supernucleus die ooit bij de LHC is ontdekt.
De ALICE-metingen zijn gebaseerd op gegevens over lood-loodbotsingen die in 2018 zijn verkregen voor elk paar nucleonen (protonen en neutronen) die botsen met een energie van 5,02 tera-elektronvolt (TeV). Met behulp van een machine learning-techniek die beter presteert dan traditionele hypernucleus-zoektechnieken, keken ALICE-onderzoekers naar signaalgegevens voor superwaterstof-4, superhelium-4 en hun antimateriepartners. Kandidaten voor (anti)hyperwaterstof-4 werden geïdentificeerd door te zoeken naar (anti)helium-4-kernen en de geladen pionen waarin ze vervallen, terwijl kandidaten voor (anti)hyperhelium-4 werden geïdentificeerd door hun verval in (anti)helium-3-kernen, (anti)protonen en geladen pionen.
Naast het vinden van bewijs tegen superhelium-4 met een significantie van 3,5 standaarddeviaties en bewijs tegen superwaterstof-4 met een significantie van 4,5 standaarddeviaties, heeft het ALICE-team ook de opbrengsten en massa's van de twee supernuclei gemeten.
Voor beide supercores komen de gemeten massa's overeen met de huidige wereldgemiddelden. De gemeten opbrengsten werden vergeleken met voorspellingen van een statistisch hadronisatiemodel dat de vorming van hadronen en kernen bij botsingen met zware ionen goed beschrijft. Uit deze vergelijking blijkt dat de voorspellingen van het model goed overeenkomen met de gegevens als zowel opgewonden supernucleaire toestanden als grondtoestanden in de voorspellingen worden meegenomen. De resultaten bevestigden dat het statistische hadronisatiemodel ook de productie van supercores goed kan beschrijven, dit zijn dichte objecten met een grootte van ongeveer 2 femtometers (1 femtometer is 10-15 meter).
De onderzoekers bepaalden ook de opbrengstverhoudingen tussen antideeltjes en deeltjes van de twee supernuclei en ontdekten dat deze consistent waren met 1 binnen de experimentele onzekerheid. Deze overeenkomst komt overeen met ALICE's observatie van gelijke productie van materie en antimaterie bij LHC-energieën, en draagt bij aan het lopende onderzoek naar de onevenwichtigheid tussen materie en antimaterie in het universum.