Les collisions entre ions lourds au Grand collisionneur de hadrons (LHC) ont créé un plasma de quarks et de gluons, un état dense et à haute température de la matière qui aurait rempli l'univers environ un millionième de seconde après le Big Bang. Les collisions d'ions lourds créent également des conditions propices à la création de noyaux atomiques et de supernoyaux exotiques, ainsi que de leurs homologues d'antimatière, les antinucléaires et les antisupernoyaux. La mesure de ces formes de matière est importante à diverses fins, notamment pour aider à comprendre le processus par lequel les hadrons se sont formés à partir des quarks et des gluons constitutifs du plasma et l'asymétrie matière-antimatière observée dans l'univers aujourd'hui.
Les hypernoyaux sont des noyaux exotiques formés d'un mélange de protons, de neutrons et d'hypérons, qui sont des particules instables contenant un ou plusieurs quarks exotiques. Plus de 70 ans après leur découverte dans les rayons cosmiques, les hypernoyaux restent une source de fascination pour les physiciens car ils sont rares dans la nature et difficiles à créer et à étudier en laboratoire.
Lors des collisions d'ions lourds, les supernoyaux sont produits en grand nombre, mais jusqu'à récemment, seuls les supertritons supernucléaires les plus légers et leurs partenaires antimatière, les antisupertritons, ont été observés. Les hypertritons sont constitués de protons, de neutrons et de lambda (un hypéron contenant un quark étrange). Les anti-supertritons sont composés d'antiprotons, d'antineutrons et d'antiλ.
Suite à la découverte de l'anti-superhydrogène-4 (une combinaison d'un antiproton, de deux antineutrons et d'un anti-lambda) plus tôt cette année par la collaboration STAR au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC), la collaboration ALICE du LHC a découvert pour la première fois la présence d'un anti-superhydrogène-4, composé de deux antiprotons, d'un antineutron et d'un anti-lambda. Le résultat est significatif à 3,5 écarts-types et constitue la première preuve de l’existence du supernoyau d’antimatière le plus lourd jamais découvert au LHC.
Les mesures ALICE sont basées sur les données de collision plomb-plomb obtenues en 2018 pour chaque paire de nucléons (protons et neutrons) entrant en collision à une énergie de 5,02 téraélectronvolts (TeV). À l’aide d’une technique d’apprentissage automatique qui surpasse les techniques traditionnelles de recherche d’hypernoyaux, les chercheurs d’ALICE ont examiné les données de signaux du superhydrogène-4, du superhélium-4 et de leurs partenaires antimatière. Les candidats à l'(anti)hyperhydrogène-4 ont été identifiés en recherchant les noyaux (anti)hélium-4 et les pions chargés dans lesquels ils se désintègrent, tandis que les candidats à l'(anti)hyperhélium-4 ont été identifiés grâce à leur désintégration en noyaux (anti)hélium-3, (anti)protons et pions chargés.
En plus de trouver des preuves contre le superhélium-4 avec une signification de 3,5 écarts-types et des preuves contre le superhydrogène-4 avec une signification de 4,5 écarts-types, l'équipe ALICE a également mesuré les rendements et les masses des deux supernoyaux.
Pour les deux supercores, les masses mesurées concordent avec les moyennes mondiales actuelles. Les rendements mesurés ont été comparés aux prévisions d'un modèle statistique d'hadronisation qui décrit bien la formation de hadrons et de noyaux lors de collisions d'ions lourds. Cette comparaison montre que les prédictions du modèle concordent bien avec les données si les états supernucléaires excités et les états fondamentaux sont inclus dans les prédictions. Les résultats ont confirmé que le modèle statistique d'hadronisation peut également bien décrire la production de supercores, qui sont des objets denses d'une taille d'environ 2 femtomètres (1 femtomètre équivaut à 10-15 mètres).
Les chercheurs ont également déterminé les rapports de rendement antiparticule-particule des deux supernoyaux et ont constaté qu'ils étaient cohérents avec 1 dans l'incertitude expérimentale. Cet accord est cohérent avec l'observation d'ALICE d'une production égale de matière et d'antimatière aux énergies du LHC, et s'ajoute aux recherches en cours sur le déséquilibre matière-antimatière dans l'univers.