Физики ЦЕРН воспроизвели «мини-Большой взрыв» и впервые получили кварк-глюонную плазму из легких ядер

Исследователи проекта ALICE на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН доказали, что кварк-глюонная плазма способна формироваться не только при взаимодействии массивных ядер, но и в процессах с участием значительно более легких элементов. Разогнав ионы кислорода-16 и неона-20 до околосветовых скоростей, физики наблюдали возникновение ультракороткоживущего состояния вещества, воссоздающего физические условия первых мгновений жизни Вселенной сразу после Большого взрыва.

Кварк-глюонная плазма представляет собой экстремально плотную и высокотемпературную фазу материи, в которой кварки и глюоны пребывают в свободном виде, еще не объединившись в нуклоны (протоны и нейтроны). По мере расширения и остывания юного космоса именно из этого состояния сконденсировались элементарные частицы, сформировавшие в дальнейшем атомы. В современных ускорителях аналогичные условия удается воспроизвести лишь на мимолетные доли секунды в точке соударения релятивистских ядер.

До недавнего времени считалось, что генерация подобной фазы возможна исключительно с использованием тяжелых элементов, таких как свинец. Однако эксперименты с кислородом и неоном продемонстрировали, что критическая граница массы лежит значительно ниже. Как подчеркнул руководитель научной группы, доцент Института Нильса Бора Юй Чжоу (You Zhou), физикам удалось определить, насколько компактным может быть ядро, способное порождать столь экзотическую «первичную» среду.

Эксперимент также наглядно продемонстрировал, каким образом исходная геометрия ядер влияет на траектории разлета частиц при остывании плазмы. Почти сферические ядра кислорода-16 порождали изотропные, округлые пространственные картины, тогда как асимметричные, вытянутые ядра неона-20 формировали продолговатые структуры. Как заметил соавтор исследования Эмиль Горм Дальбек Нильсен (Emil Gorm Dahlbæk Nielsen), этот аналитический метод напоминает распознавание формы скрытого объекта по отбрасываемой им тени.

Таким образом, физика высоких энергий становится мощным инструментом для изучения пространственной конфигурации атомных ядер. Данный подход органично дополняет традиционные методы, в которых внутреннее устройство нуклидов исследуется при низких энергиях на основе их вращательных и колебательных спектров. Форма ядра напрямую отражает характер упаковки протонов и нейтронов, фундаментальную роль в которой играет сильное взаимодействие — одна из четырех фундаментальных сил природы.

Работа продолжает традиции Института Нильса Бора, где в 1975 году физик Оге Бор (Aage Bohr) был удостоен Нобелевской премии за описание коллективной структуры атомного ядра. Теперь исследователи могут зондировать микроструктуру на качественно ином энергетическом уровне — по специфическому «отпечатку», остающемуся в потоке вторичных частиц. Следующим шагом станут эксперименты с еще более легкими мишенями, включая гелий-4, цель которых — установить абсолютный нижний предел массы, необходимый для образования кварк-глюонной плазмы.

Полученные результаты объединяют два важнейших раздела фундаментальной науки: физику атомного ядра и космологию ранней Вселенной. Устанавливая минимальные параметры для возникновения кварк-глюонного состояния и связывая геометрию ядер с динамикой разлета частиц, ученые создают универсальный инструментарий для одновременного анализа свойств ядерного вещества и первичных этапов космической эволюции.

Источник: iXBT