В CERN создали «Большой взрыв в миниатюре» и впервые получили кварк-глюонную плазму в столкновениях лёгких ядер

В эксперименте ALICE впервые изучили такое состояние материи при столкновениях ядер кислорода-16 и неона-20

Физики эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере CERN показали, что кварк-глюонную плазму можно получить при столкновении не только тяжёлых ядер, но и гораздо более лёгких. В новых экспериментах сталкивались ядра кислорода-16 и неона-20 почти со скоростью света, после чего образовывались короткоживущие состояния материи, похожие на те, которые существовали в первые мгновения после Большого взрыва.

Кварк-глюонная плазма — состояние сверхгорячей и плотной материи, в котором кварки и глюоны ещё не объединены в протоны и нейтроны. Именно из такой первичной среды по мере расширения и охлаждения Вселенной сформировались частицы, а затем атомы. На Большом адронном коллайдере подобные условия возникают лишь на чрезвычайно короткое время в момент столкновения атомных ядер.

До сих пор считалось, что для получения такого состояния особенно важны тяжёлые ядра, например свинец. Эксперименты с кислородом и неоном показали, что граница находится значительно ниже по массовому числу. Как отметил руководивший работой доцент Нильс Борского института Юй Чжоу (You Zhou), физики фактически проверили, насколько маленьким может быть ядро, способное породить такую «первичную» материю.

Столкновения также позволили увидеть, как форма исходного ядра отражается на распределении частиц после охлаждения плазмы. Ядра кислорода-16 имеют близкую к сферической форму и давали более округлые картины движения частиц, тогда как ядра неона-20 с более вытянутой формой приводили к удлинённым структурам. По словам соавтора Эмиля Горма Дальбека Нильсена (Emil Gorm Dahlbæk Nielsen), это напоминает наблюдение тени.

Таким образом, высокоэнергетические столкновения позволяют получать информацию не только о кварк-глюонной плазме, но и о форме атомных ядер. Это дополняет традиционные методы ядерной физики, при которых структуру ядер изучают при значительно меньших энергиях по их вращениям и колебаниям. Форма ядра при этом связана с расположением протонов и нейтронов и взаимодействием между ними, в котором ключевую роль играет сильное взаимодействие — одна из 4 фундаментальных сил природы.

Подход продолжает традицию института Нильса Бора, где в 1975 году физик Оге Бор (Aage Bohr) получил Нобелевскую премию за работы по структуре атомного ядра. Теперь физики могут изучать эту структуру на совершенно другом энергетическом уровне — по «отпечатку», который она оставляет в продуктах столкновения. Следующим этапом станут эксперименты с ещё более лёгкими ядрами, в том числе с гелием-4, чтобы определить нижнюю границу, при которой столкновение всё ещё способно создать кварк-глюонную плазму.

Результат связывает 2 разных направления физики: изучение устройства атомных ядер и реконструкцию условий, существовавших в начале истории Вселенной. Определяя, какие ядра способны породить кварк-глюонную плазму и как их форма отражается в конечном распределении частиц, учёные получают новый способ исследовать одновременно свойства ядерной материи и первые этапы эволюции Вселенной.