В Большом адронном коллайдере впервые получили кварк-глюонную плазму из легких ядер
Физики международной коллаборации ALICE впервые получили кварк-глюонную плазму (КГП), которой была заполнена Вселенная сразу после Большого взрыва, сталкивая легкие ядра. Для проведения эксперимента, результаты которого обнародованы в журнале Physical Review Letters, они выпросили у инженеров несколько сеансов работы Большого адронного коллайдера перед его остановкой на продолжительную модернизацию.
Долгое время считалось, что для образования КГП необходимы столкновения очень тяжелых ядер, например свинца — хотя теория не запрещает подобные реакции и с участием более легких элементов.
«Мы продвинули границу минимального веса сталкивающихся ядер, чтобы при этом все еще воссоздавалась первичная материя — своего рода „Маленький Большой взрыв“. Теперь мы лучше знаем фундаментальные условия, необходимые для перехода вещества в это экстремальное состояние. Мы надеемся, что это поможет разобраться, как вела себя плазма в первые мгновения жизни Вселенной и как она потом превратилась в те формы материи, из которых состоит все вокруг нас», — говорит руководивший экспериментом физик Ю Чжоу из Орхусского университета, который в ту пору работал в Институте Нильса Бора.
Узнали даже форму ядер
В опытах сталкивали ядра неона и кислорода. Плазма из их осколков существовала считанные мгновения, а наблюдали ее по косвенным признакам — частицам, в которые она сразу превратилась. Но и это дало немало информации — например, о форме ядер. По результатам столкновений поняли, что ядра 16O напоминают неправильный тетраэдр, а 20Ne — вытянуты, как кегли.
«Движение частиц, рождающихся из первичной материи, напрямую определяется геометрической формой атомного ядра. Если мы сталкиваем два круглых ядра — получаем одну картину. Если они похожи на кегли — другую. Изучая, как разлетаются частицы после столкновения, мы можем получить сведения об атомных ядрах, которые физикам иначе трудно добыть. Это немного похоже на то, как если бы мы направили свет на предмет и увидели его тень. Сам предмет не виден, но тень выдает его форму. Так и разлет частиц позволяет нам „увидеть“ геометрическую форму атомных ядер, которая была в самом начале столкновения», — объясняет соавтор работы Эмиль Горм Дальбек Нильсен из Института Нильса Бора.
Форма атомного ядра — это не просто вопрос геометрии. Она раскрывает, как организованы протоны и нейтроны, и дает важную информацию о сильном взаимодействии — одной из четырех фундаментальных сил природы, которую ученые до конца еще не поняли.
«Точное понимание ядерной структуры помогает нам познать сильное взаимодействие. Но вместо того чтобы кропотливо изучать ядра при низких энергиях, мы сталкиваем их на максимально доступных энергиях и теперь можем „считывать“ их форму по тому следу, который они оставляют», — подчеркивает Чжоу.
Что дальше
Точная граница, за которой образование первичной плазмы становится невозможным, пока не определена. Поэтому следующий шаг — эксперименты с еще более легкими ядрами, например с гелием-4 — но это уже после возобновления работы БАК.
«Поразительно, что в одном и том же эксперименте мы можем изучать и структуру атомных ядер, и реконструировать первые мгновения жизни Вселенной. Оказывается, эти две задачи гораздо теснее связаны, чем может показаться на первый взгляд», — подытожил физик-ядерщик.
