Ученые из ЦЕРНа получили новые подтверждения того, что могут воссоздавать в лаборатории состояние материи, в котором находилась Вселенная сразу после своего рождения. Для этого они столкнули на Большом адронном коллайдере атомы кислорода и неона — и зафиксировали сразу несколько характерных признаков образования так называемой кварк-глюонной плазмы.
Спустя год после первого в истории столкновения атомов кислорода на Большом адронном коллайдере, четыре основных детекторных коллаборации — ALICE, ATLAS, CMS и LHCb — представили данные, указывающие на образование кварк-глюонной плазмы (КГП) в этих событиях.
Кварк-глюонная плазма представляет собой экстремальное состояние материи, возникающее при температурах, примерно в 100 000 раз превышающих температуру в центре Солнца. В таких условиях нуклоны «плавятся», высвобождая кварки и глюоны, которые в обычном состоянии находятся внутри связанных частиц. Согласно современным представлениям, именно в таком состоянии находилась Вселенная в первые микросекунды после Большого взрыва. Воспроизведение и изучение КГП в лабораторных условиях является одной из основных задач физики высоких энергий.
Ранее считалось, что для создания кварк-глюонной плазмы необходимы столкновения тяжелых ионов, например, ядер свинца, которые значительно массивнее протонов. Однако в последнее время эта гипотеза пересматривается: в текущем году коллаборация ALICE уже сообщала о признаках КГП в протон-протонных и протон-свинцовых столкновениях. Год назад были получены первые указания на образование плазмы при столкновении ядер кислорода, а теперь, после более детального анализа, признаки КГП обнаружены и в событиях с участием кислорода и неона.
В ходе нового анализа исследователи применили несколько методик для подтверждения образования КГП.
Одним из главных признаков образования плазмы служит так называемая потеря энергии партонами. Когда быстрые частицы пролетают сквозь горячую и плотную среду, они теряют скорость и энергию — примерно как пуля, попавшая в густую жидкость. Именно этот эффект зафиксировала коллаборация ATLAS, наблюдая дисбаланс между парами струй частиц, вылетающих из точки столкновения. Причем в более лобовых столкновениях, где объем плазмы больше, потери энергии оказывались сильнее.
Коллаборации ALICE, CMS и LHCb подошли к вопросу иначе, изучая подавление рождения частиц различных типов. CMS зафиксировала снижение выхода заряженных частиц в столкновениях кислород-кислород и неон-неон по сравнению с протон-протонными событиями, что также интерпретируется как потеря энергии и наличие КГП. LHCb сравнила степень подавления для частиц, содержащих тяжелые и легкие кварки, и обнаружила, что в столкновениях более тяжелого неона подавление выражено сильнее, что согласуется с формированием большего объема плазмы.
Еще одним независимым доказательством стало изучение так называемых ипсилон-мезонов — хрупких связанных состояний тяжелого кварка и его антикварка. В кварк-глюонной плазме такие структуры разрушаются. Коллаборации CMS и LHCb показали, что степень разрушения зависит от условий столкновения, что также согласуется с моделью образования плазмы.
Все эти данные, полученные разными методами и на независимых установках, складываются в единую картину: кварк-глюонная плазма действительно может возникать не только в столкновениях сверхтяжелых ядер, но и в системах с легкими атомами.
Исследования продолжаются. Ученые анализируют уже полученные данные, а в ближайшие годы Большой адронный коллайдер будет модернизирован и станет работать с более высокой интенсивностью пучков. Это позволит детальнее изучить свойства кварк-глюонной плазмы и приблизиться к пониманию того, как из этого первобытного состояния возникла материя, из которой состоят звезды, планеты и все вокруг.