El detector STAR (Solenoidal Tracker At RHIC) puede observar antinúcleos de antimateria producidos en las colisiones de iones pesados del RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), en el BNL (Brookhaven National Laboratory), cerca de Nueva York; en 2011 publicó en Science su observación del antihelio-4, formado por dos antiprotones y dos antineutrones. También puede observar antihipernúcleos de antimateria, en los que un antineutrón es sustituido por un antihiperón lambda; en 2010 publicó en Nature su observación del antihiperhidrógeno-3, formado por un antiprotón, un antineutrón y un antilambda. Ahora publica en Nature la observación del antihiperhidrógeno-4, compuesto por un antiprotón, dos antineutrones y un antilambda. Se han observado 15.6 ± 4.7 sucesos candidatos a este hipernúcleo, sobre un fondo estimado de 6.4 ± 0.4, tras analizar 6400 millones de colisiones de iones pesados (U+U, Au+Au, Ru+Ru y Zr+Zr) a 200 GeV c.m. (salvo las U+U que fueron a 193 GeV c.m.). La significación estadística se estima en 4.8 sigmas (desviaciones estándar), casi 5 sigmas. Solo se podrá afirmar que se ha descubierto cuando sea observado por otro colisionador de forma independiente (quizás el detector ALICE del LHC en el CERN).

Te recuerdo que el antiprotón () de carga eléctrica −1 está formado por tres antiquarks de valencia, dos arriba () de carga eléctrica −2/3 y uno abajo () de carga eléctrica +1/3; el antineutrón () de carga eléctrica 0 está formado por tres antiquarks de valencia, uno arriba () de carga eléctrica −2/3 y dos abajo () de carga eléctrica +1/3; y el antilambda () de carga eléctrica 0 está formado por tres antiquarks de valencia, uno arriba () de carga eléctrica −2/3, uno abajo () de carga eléctrica +1/3 y otro extraño () de carga eléctrica +1/3. Comparando la vida media de los hipernúcleos y de los antihipernúcleos se pueden buscar posibles incumplimientos de la simetría CPT (que predice que no habrá ninguna diferencia entre la materia y la antimateria). La diferencia entre las vidas medias del deuteriolamda y del antihiperhidrógeno-3 , es de τ() − τ() = 16 ± 43(stat.) ± 20(sys.) ps (picosegundos), y entre las del tritiolamda y del antihiperhidrógeno-4 , es de τ()− τ() = 18 ± 115(stat.) ± 46(sys.) ps; ambas son compatibles con cero, lo que confirma la invariancia CPT para los hipernúcleos estudiados.

En ciencia, un resultado esperado parece menos interesante (pues carece del factor sorpresa). Sin embargo, explorar los posibles incumplimientos de las simetrías fundamentales (como la simetría CPT) es el camino más firme hacia la física más allá del modelo estándar. Por ello este tipo de resultados deben ser valorados en dicho contexto. El artículo es STAR Collaboration, «Observation of the antimatter hypernucleus ,» Nature 632: 1026-1031 (21 Aug 2024), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07823-0, arXiv:2310.12674 [nucl-ex] (19 Oct 2023); también recomiendo la charla de Hao Qiu, «Observation of antimatter hyperhydrogen-4 at STAR,» International Conference on Exotic Atoms and Related Topics and conference on Low Energy Antiprotons (EXA/LEAP 2024), 25-30 Aug 2024 [indico; slides PDF]. Por cierto, he citado a The STAR Collaboration, «Observation of an Antimatter Hypernucleus,» Science 328: 58-62 (04 Mar 2010), doi: https://doi.org/10.1126/science.1183980, arXiv:1003.2030 [nucl-ex] (10 Mar 2010); y The STAR Collaboration, «Observation of the antimatter helium-4 nucleus,» Nature 473: 353-356 (24 Apr 2011), doi: https://doi.org/10.1038/nature10079, arXiv:1103.3312 [nucl-ex] (16 Mar 2011).

Esta figura nos recuerda la fecha de publicación de los principales descubrimientos en el campo de la antimateria: positrón (1932), premio Nobel en 1936, antiprotón (1955), premio Nobel en 1959, antineutrón (1956), antilambda (parece que pone 1958, pero es 1961), antideuterio (1965), antihelio-3 (1970), antitritio (1974), antihiperhidrógeno-3 (2010), antihelio-4 (2011) y el nuevo antihiperhidrógeno-4 (2024). Por cierto, faltan en la figura varias antipartículas: antineutrino electrónico (1956), premio Nobel en 1995, antineutrino muónico (1962), premio Nobel en 1988, antineutrino tauónico (2000). También faltan los antinúcleos fabricados en el CERN, que se iniciaron con el antihidrógeno (1996). Recomiendo mi artículo «La antimateria» en MUY Interesante sobre este tema (LCMF, 07 jul 2024).

Como muestra esta figura se han observado 24.4 ± 6.1 sucesos candidatos a hiperhidrógeno-4, sobre un fondo estimado de 16.6 ± 0.6, y 15.6 ± 4.7 sucesos candidatos a antihiperhidrógeno-4, sobre un fondo estimado de 6.4 ± 0.4. Por tanto, se han observado unos 10 antihiperhidrógeno-4, que implican una significación estadística de 4.8 sigmas (desviaciones estándares); además, la anchura del pico observado es compatible con la predicción teórica con una significación de 4.7 sigmas. Habiéndose alcanzado casi 5 sigmas, se considera la primera observación (tipo descubrimiento) de este antihipernúcleo. Como siempre, se requiere de la observación independiente de otro colisionador de iones pesados (quizás ALICE en el LHC) para que se pueda proclamar el descubrimiento definitivo (que se asignará a STAR de RHIC).

La comparación entre la física de los hipernúcleos de materia y de antimateria permite estudiar posibles asimetrías (aún no detectadas) entre materia y antimateria. En este artículo se ha estudiado el posible incumplimiento de la simetría CPT en las desintegraciones de estos hipernúcleos. Se han comparado las vidas medias de los hipernúcleos y de sus antihipernúcleos, pues la simetría CPT predice que su diferencia debe ser exactamente cero. Las incertidumbres son grandes (pues el número de hipernúcleos y antihipernúcleos observados es bajo). Se han obtenido para las diferencias entre estas vidas medias del hiperhidrógeno-3 y del antihiperhidrógeno-3 de 16 ± 43(stat.) ± 20(sys.) ps = 16 ± 47 ps, y entre las del hiperhidrógeno-4 y del antihiperhidrógeno-4 de 18 ± 115(stat.) ± 46(sys.) ps = 18 ± 124 ps; como es obvio, ambas son compatibles con cero. Así se confirma la invariancia CPT (aunque habría que apostillar, como no podía de otra forma, pues cualquier incumplimiento habría sido tomado con mucho escepticismo, dadas las enormes incertidumbres).