大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での重イオン間の衝突により、高温で高密度の物質状態であるクォーク・グルーオン・プラズマが生成され、ビッグバン後約100万分の1秒以内に宇宙を満たしたと考えられています。重イオンの衝突は、原子核やエキゾチック超核、さらにそれらの反物質である反核や反超核の生成に適した条件も作り出します。これらの物質の形態の測定は、プラズマの構成要素であるクォークとグルーオンからハドロンが形成されるプロセスや、今日の宇宙で見られる物質と反物質の非対称性を理解するのに役立つなど、さまざまな目的で重要です。
ハイパー核は、陽子、中性子、およびハイペロンの混合物から形成されるエキゾチック原子核であり、1 つ以上のエキゾチック クォークを含む不安定な粒子です。宇宙線で発見されてから 70 年以上が経った今でも、ハイパー核は物理学者にとって魅力の源であり続けています。なぜなら、ハイパー核は自然界では希少であり、実験室で作成して研究するのが難しいからです。
重イオンの衝突では超核が大量に生成されますが、最近まで観測されているのは最も軽い超核スーパートリトンとその反物質パートナーである反スーパートリトンだけです。ハイパートリトンは、陽子、中性子、ラムダ（ストレンジ クォークを含むハイペロン）で構成されています。反スーパートリトンは、反陽子、反中性子、反λで構成されます。
今年初めに相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）でのSTAR共同研究による反超水素-4（1つの反陽子、2つの反中性子、および反ラムダの組み合わせ）の発見に続き、LHCでのALICE共同研究は今回、2つの反陽子、1つの反中性子、および反ラムダからなる反超水素-4の証拠を初めて発見した。この結果は標準偏差 3.5 で有意であり、LHC でこれまでに発見された中で最も重い反物質超核の最初の証拠です。
ALICE の測定は、5.02 テラ電子ボルト (TeV) のエネルギーで衝突する核子 (陽子と中性子) の各ペアについて 2018 年に取得された鉛-鉛衝突データに基づいています。 ALICE の研究者らは、従来のハイパー核探索技術を上回る機械学習技術を使用して、超水素 4、スーパーヘリウム 4、およびそれらの反物質パートナーの信号データを調べました。 (反)超水素 4 の候補は、(反)ヘリウム 4 原子核と、それらが崩壊して崩壊する荷電パイオンを探すことによって同定されました。一方、(反)ハイパーヘリウム 4 の候補は、(反)ヘリウム 3 原子核、(反)陽子、および荷電パイオンへの崩壊を通じて同定されました。
ALICE チームは、標準偏差 3.5 の有意性を持つスーパーヘリウム 4 に対する証拠と、標準偏差 4.5 の有意性を持つスーパー水素 4 に対する証拠を発見したことに加えて、2 つの超核の収量と質量も測定しました。
どちらのスーパーコアでも、測定された質量は現在の世界平均と一致しています。測定された収率は、重イオン衝突におけるハドロンと原子核の形成をよく説明する統計的ハドロン化モデルからの予測と比較されました。この比較は、励起された超核状態と基底状態の両方が予測に含まれている場合、モデルの予測がデータとよく一致することを示しています。その結果、統計的ハドロン化モデルは、サイズが約 2 フェムトメートル (1 フェムトメートルは 10 ～ 15 メートル) の高密度の物体であるスーパーコアの生成もよく説明できることが確認されました。
研究者らはまた、2つの超核の反粒子対粒子の収量比を決定し、それらが実験の不確実性の範囲内で1と一致することを発見した。この合意は、LHCエネルギーで物質と反物質が同等に生成されるというALICEの観察と一致しており、宇宙における物質と反物質の不均衡に関する進行中の研究をさらに強化するものである。