Физики, сталкивая ядра кислорода, воссоздали вещество первых мгновений Вселенной
На коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории коллаборация STAR , в которой ключевой анализ выполнили физики Шаньдунского университета, показала: даже столкновения легких ядер кислорода при умеренной энергии рождают кварк-глюонную плазму — вещество, заполнявшее Вселенную в первые микросекунды после Большого взрыва. Раньше плазму удавалось получить только при столкновении тяжелых ядер золота на гораздо больших энергиях.
Вид с воздуха на Национальную лабораторию Брукхейвен. Kevin P. Coughlin / Brookhaven National Laboratory
Кварк-глюонная плазма — самое горячее вещество, когда-либо полученное человеком. В 2010 году физики RHIC оценили температуру в столкновениях ядер золота примерно в 4 триллиона градусов — в 250 тысяч раз горячее центра Солнца. Этот результат даже попал в Книгу рекордов Гиннесса. Позже на Большом адронном коллайдере получили около 5,5 триллиона. При этом плазма оказалась не газом, а почти идеальной жидкостью.
Кварк-глюонная плазма — состояние, в котором протоны и нейтроны словно «плавятся», а составляющие их кварки и глюоны движутся свободно. Получить ее можно, разогнав атомные ядра почти до скорости света и столкнув их. Капля такой материи меньше атомного ядра и живет меньше миллиардной доли миллиардной доли секунды, поэтому увидеть ее напрямую нельзя. О ней судят по частицам, разлетающимся из точки удара.
Главный признак кварк-глюонной плазмы — так называемое гашение струй. При столкновении рождаются узкие пучки очень энергичных частиц. Проходя через плотную среду, они теряют энергию, как пуля, выпущенная в воду. Чем длиннее путь сквозь плазму, тем сильнее торможение. На коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) этот эффект давно наблюдали в столкновениях тяжелых ядер золота, в каждом из которых почти 200 протонов и нейтронов. Но оставался вопрос: насколько маленькой может быть система, чтобы кварк-глюонная плазма все же возникала? Физики сделали важный шаг к ответу на этот вопрос. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Продолжение ниже
Продолжение
Лобовой удар
Ядро кислорода состоит всего из 16 частиц и имеет почти сферическую форму, что упрощает анализ. Физики изучили около 500 миллионов столкновений кислорода, записанных детектором STAR в 2021 году. Они сравнили лобовые удары, где рождается больше всего частиц и вероятнее всего возникает кварк-глюонная плазма, с ударами по касательной, где возникновение плазмы маловероятно.
«По сути, наши измерения — это подсчет, — объясняет соавтор работы Сыцзе Чжан, выполнявшая исследование в Шаньдунском университете. — Программа находит узкие пучки частиц с высокой энергией, и мы считаем, сколько их вылетает с энергией выше заданного порога».
В лобовых столкновениях частиц с энергией выше пороговой оказалось примерно на 20% меньше, чем в случае золота, но так и должно быть: капля плазмы при столкновении ядер кислорода намного меньше. Похожий эффект недавно увидели и на Большом адронном коллайдере, однако там энергия столкновений была почти в 30 раз выше. Новый результат задает нижнюю границу условий, при которых возникает «первичное» вещество.
Знание нижней границы важно потому, что похожее на плазму согласованное движение частиц физики видели даже в столкновениях отдельных протонов. Неясно, рождается ли там настоящая плазма или те же следы оставляет другой механизм. Зная, где плазма появляется и где исчезает, можно понять, какая плотность энергии нужна, чтобы освободить кварки, — и точнее восстановить, как ранняя Вселенная превращалась в привычное нам вещество.