Физики создали «маленький Большой взрыв» из ядер в форме кегли

Физики из Нильсборовского института вместе с коллегами из международной коллаборации ALICE приблизились к пониманию условий, в которых только что родившаяся Вселенная существовала в первую миллионную долю секунды. Для этого они столкнули ядра кислорода-16 и неона-20 почти на скорости света и получили крошечные порции кварк-глюонной плазмы. Авторы называют этот результат «маленьким Большим взрывом».

Раньше считалось, что такую плазму удается получать только при столкновениях очень тяжелых ядер, например свинца. Новый эксперимент показал, что для этого подходят и гораздо более легкие ядра. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

В CERN ученые воссоздают экстремальные условия ранней Вселенной, сталкивая атомные ядра на коллайдере. При таких столкновениях на мгновение возникает крошечная капля чрезвычайно горячего вещества, которая затем быстро расширяется и распадается на частицы. Саму плазму напрямую не наблюдают, поэтому исследователи изучают то, во что она превращается сразу после столкновения.

В этом эксперименте траектории частиц подсказали, что форма исходных ядер имеет значение. При столкновениях двух ядер кислорода картина оказывается более округлой, а в случае неона движение частиц формирует рисунок, похожий на силуэт кегли. По словам постдокторанта Эмиля Горма Далябека Нильсена из Нильсборовского института, этот рисунок помогает узнать о структуре ядер, которую иначе трудно изучать.

Кварк-глюонная плазма в эксперименте ALICE

Кварк-глюонная плазма считается самой ранней формой материи во Вселенной. Она существовала в первые микросекунды после начала космического расширения, когда кварки и глюоны еще не были связаны в протоны и нейтроны. Позже, по мере охлаждения Вселенной, из этой среды сформировались более привычные формы материи.

Исследователи давно изучают эту область, но раньше в основном опирались на тяжелые ядра. Теперь команда считает, что можно использовать более легкие ядра, чтобы понять, где проходит граница, за которой плазма еще возникает. Авторы работы прямо называют такой подход возможным сдвигом в методе исследования.

Физическая форма ядра тоже оказалась важной частью картины. Она отражает, как внутри ядра организованы протоны и нейтроны, а значит, помогает лучше разобраться в сильном взаимодействии, одной из четырех фундаментальных сил природы. В Нильсборовском институте этой темой занимаются уже более 70 лет, и здесь же ранее работал Ааге Бор, чья работа о строении атомного ядра принесла ему Нобелевскую премию по физике в 1975 году.

Авторы исследования говорят, что следующий шаг — эксперименты с еще более легкими ядрами, например с гелием-4. Они хотят точнее определить, при каких условиях кварк-глюонная плазма еще может появляться. Если подход удастся развить, он может дать новый способ изучать и другие ядра, структура которых до сих пор остается неясной.

Работу выполнили в рамках международного эксперимента ALICE. Статья называется «Evidence of Nuclear Geometry-Driven Anisotropic Flow in O + O and Ne + Ne Collisions at √SNN = 5.36 TeV».

Ранее CERN остановила Большой адронный коллайдер до 2030 года на четырёхлетнюю модернизацию, после которой установка должна перейти в режим High Luminosity LHC.