В CERN впервые получили кварк-глюонную плазму в уникальных экспериментах

В исследовании ALICE впервые было проанализировано такое состояние материи при столкновениях ядер кислорода-16 и неона-20

Ученые из эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере CERN продемонстрировали, что кварк-глюонную плазму можно создать не только при столкновении тяжелых ядер, но и значительно более легких. В новых экспериментах ядра кислорода-16 и неона-20 сталкивались почти со скоростью света, что приводило к образованию кратковременных состояний материи, схожих с теми, что существовали в первые моменты после Большого взрыва.

Кварк-глюонная плазма — это состояние крайне горячей и плотной материи, в котором кварки и глюоны еще не объединены в протоны и нейтроны. Именно из такой первичной среды по мере расширения и охлаждения Вселенной формировались частицы, а затем и атомы. На Большом адронном коллайдере подобные условия возникают лишь на очень короткий период времени в момент столкновения атомных ядер.

Ранее считалось, что для получения такого состояния особенно важны тяжелые ядра, например, свинец. Эксперименты с кислородом и неоном показали, что граница находится значительно ниже по массовому числу. Как заметил руководитель работы доцент Юй Чжоу (You Zhou), физики фактически проверили, насколько маленьким может быть ядро, способное создать такую «первичную» материю.

Столкновения также позволили наблюдать, как форма исходного ядра сказывается на распределении частиц после охлаждения плазмы. Ядра кислорода-16, имеющие близкую к сферической форму, создавали более округлые картины движения частиц, тогда как ядра неона-20 с более вытянутой формой приводили к образованию удлиненных структур. По словам соавтора Эмиля Горма Дальбека Нильсена (Emil Gorm Dahlbæk Nielsen), это напоминает наблюдение тени.

Таким образом, высокоэнергетические столкновения позволяют извлекать информацию не только о кварк-глюонной плазме, но и о форме атомных ядер. Это дополняет традиционные методы ядерной физики, при которых структуру ядер исследуют при значительно меньших энергиях, основываясь на их вращениях и колебаниях. Форма ядра при этом связана с расположением протонов и нейтронов и взаимодействием между ними, где ключевую роль играет сильное взаимодействие — одна из четырех фундаментальных сил природы.

Этот подход продолжает традицию института Нильса Бора, где в 1975 году физик Оге Бор (Aage Bohr) был удостоен Нобелевской премии за исследования структуры атомного ядра. Теперь физики могут изучать эту структуру на совершенно новом энергетическом уровне — по «отпечатку», который она оставляет в продуктах столкновения. Следующим шагом станут эксперименты с еще более легкими ядрами, в том числе с гелием-4, чтобы установить нижнюю границу, при которой столкновение все еще способно создать кварк-глюонную плазму.

Результат связывает два различных направления физики: исследование структуры атомных ядер и воссоздание условий, существовавших в начале истории Вселенной. Определяя, какие ядра могут создавать кварк-глюонную плазму и как их форма отражается в конечном распределении частиц, ученые получают новый способ изучать одновременно свойства ядерной материи и ранние этапы эволюции Вселенной.