Эти результаты появились спустя год после первых в истории столкновений ядер кислорода на Большом адронном коллайдере (БАК). Все четыре крупнейшие исследовательские коллаборации коллайдера — ALICE, ATLAS, CMS и LHCb — сообщили о признаках того, что эта первичная форма материи может возникать при столкновении ядер кислорода и неона.
Эти результаты появились спустя год после первых в истории столкновений ядер кислорода на Большом адронном коллайдере (БАК). Все четыре крупнейшие исследовательские коллаборации коллайдера — ALICE, ATLAS, CMS и LHCb — сообщили о признаках того, что эта первичная форма материи может возникать при столкновении ядер кислорода и неона.
Полученные данные ставят под сомнение давнее предположение о том, что для создания столь экстремального вещества нужны огромные силы. Кроме того, они дают учёным новый способ изучать условия, существовавшие в самые первые мгновения жизни Вселенной.
Кварк-глюонная плазма (КГП) — необычное состояние вещества, возникающее при колоссальных давлении и температуре. При температурах, более чем в 100 000 раз превышающих температуру в центре Солнца, такие частицы, как протоны и нейтроны, уже не могут сохранять обычную структуру. Вместо этого они распадаются на кварки и глюоны, которые в обычных условиях удерживают кварки вместе.
Физики считают, что именно в таком состоянии находилась материя во всей Вселенной в первые миллионные доли секунды после Большого взрыва. Почти через 14 миллиардов лет исследователи могут ненадолго воссоздать эти необычайные условия, сталкивая атомные ядра на предельно высоких энергиях внутри БАК.
На протяжении десятилетий учёные считали, что для получения этой плазмы необходимы столкновения очень тяжёлых атомных ядер, в частности ядер свинца. Ядра свинца более чем в 200 раз тяжелее протонов, которые обычно используются в экспериментах на БАК, поэтому они способны создавать интенсивные условия, необходимые, как считалось, для образования КГП.
Однако недавние открытия всё чаще ставят это предположение под сомнение.
Ранее в этом году коллаборация ALICE, специализирующаяся на изучении кварк-глюонной плазмы, обнаружила ещё один признак образования КГП в протон-протонных и протон-свинцовых столкновениях. А годом ранее исследователи БАК сообщили и о первых намёках на появление этой плазмы в столкновениях кислород — кислород.
Теперь более подробные исследования выявили множество признаков того, что КГП может образовываться в столкновениях с участием как ядер кислорода, так и ядер неона. Это служит более весомым свидетельством того, что условия, необходимые для создания этой первичной материи, не ограничиваются столкновениями тяжёлых атомов.
Один из самых наглядных способов обнаружить кварк-глюонную плазму — посмотреть, что происходит, когда сквозь неё проходят высокоэнергичные кварки и глюоны.
Двигаясь сквозь чрезвычайно горячую и плотную среду, эти частицы теряют часть своей энергии. Учёные называют этот процесс потерей энергии партонов, и он служит важным признаком образования КГП.
Коллаборация ATLAS чётко зафиксировала этот эффект, изучая пары адронных струй (джетов), возникающих в столкновениях кислород — кислород и неон — неон. Эти струи представляют собой сфокусированные потоки частиц, образующихся, когда высокоэнергичные кварки и глюоны вылетают из места столкновения.
Исследователи наблюдали различия в энергии между струями в паре, что указывает на то, что часть частиц потеряла энергию при движении через окружающую среду.
Особенно заметным эффект был при более прямых, лобовых (центральных) столкновениях. Ожидается, что такие столкновения создают больший объём плазмы: частицам приходится проходить через больше вещества, и потеря энергии оказывается сильнее.
Предварительные результаты ATLAS дополнительно подтверждают эту интерпретацию. Изучая заряженные частицы, которые разлетаются в направлении, противоположном фотонам, исследователи обнаружили сходную зависимость между потерей энергии и тем, насколько центральным было столкновение ядер.
Коллаборации ALICE, CMS и LHCb искали тот же самый базовый процесс другим способом. Вместо того чтобы сосредоточиться главным образом на энергии струй частиц, они изучали, как плазма, по-видимому, подавляет рождение определённых высокоэнергичных частиц.
В CMS обнаружили, что рождение заряженных частиц подавлено как в столкновениях кислород — кислород, так и в столкновениях неон — неон по сравнению с протон-протонными столкновениями. Это снижение согласуется с тем, что частицы теряют энергию внутри кварк-глюонной плазмы, и служит дополнительным свидетельством того, что экзотическая материя может образовываться в столкновениях с участием более лёгких ядер.
В отдельном исследовании LHCb сообщила о ещё одном важном признаке. Коллаборация изучала частицы, содержащие очарованный кварк и более лёгкий кварк, и сравнивала, насколько сильно подавлено их рождение в столкновениях кислорода и неона.
Подавление оказалось сильнее в более тяжёлых столкновениях с неоном. Именно такое поведение учёные ожидали бы, если бы более крупные столкновения создавали больший объём плазмы и частицы теряли в ней больше энергии.
Тем не менее снижение выхода частиц не обязательно доказывает, что причина в потере энергии. Подобные эффекты теоретически могут вызывать и другие физические процессы.
Чтобы проверить эту возможность, ALICE сравнила рождение нейтральных пионов — ещё одного типа субатомных частиц — в столкновениях кислород — кислород и протон — кислород.
Сравнение дало однозначное свидетельство потери энергии партонов в столкновениях кислород — кислород, что укрепляет вывод: даже сравнительно небольшие ядерные столкновения могут создавать условия, связанные с кварк-глюонной плазмой.
Исследователи также искали другой характерный признак КГП, связанный с частицами, состоящими из тяжёлого кварка и соответствующего ему антикварка.
Такие пары могут ненадолго образовывать связанное состояние после столкновений высокой энергии. Одни из них связаны прочнее других, поэтому окружающая плазма разрушает их в разной степени.
Изучая, какие связанные состояния подавляются и насколько сильно, физики могут получить дополнительные свидетельства того, есть ли КГП.
Коллаборация CMS обнаружила признаки такого неодинакового подавления у частиц, называемых мезонами upsilon (ипсилон), которые состоят из боттом-кварка и его антикварка. Исследователи выявили этот эффект, сравнив столкновения кислород — кислород и неон — неон.
LHCb также сообщила о предварительных свидетельствах сходного поведения, на этот раз по данным протон-кислородных и кислород-кислородных столкновений.
В совокупности эти наблюдения добавляют ещё один элемент в растущий массив свидетельств того, что первичная плазма может возникать в ядерных столкновениях, гораздо меньших по масштабу, чем те, которые традиционно использовались для её изучения.
Коллаборация ALICE обнаружила ещё один возможный признак кварк-глюонной плазмы, на этот раз связанный с направлениями, в которых частицы движутся после столкновения.
В предварительных результатах исследователи отметили, что в столкновениях кислород — кислород частицы, состоящие из трёх кварков (барионы), демонстрировали более выраженное предпочтение определённых направлений, чем частицы из двух кварков (мезоны).
Такое поведение известно как анизотропный поток. Частицы разлетаются не равномерно во все стороны, а по схемам, на которые влияют условия внутри вещества, возникшего при столкновении.
Основное объяснение связано с образованием КГП. Когда частицы со средними импульсами выходят из этой плазмы, они могут унаследовать коллективное движение от кварков, из которых состоят.
Поскольку барионы содержат три кварка, а мезоны — только два, барионы могут унаследовать большую часть этого потока, что и приводит к разнице, наблюдаемой в эксперименте.
Эта характерная картина — ещё один возможный признак того, что в кислородных столкновениях воссоздаётся экстремальная материя ранней Вселенной.
Учёные продолжают анализировать данные столкновений с участием более лёгких атомных ядер, ища дополнительные свидетельства того, как образуется и ведёт себя кварк-глюонная плазма.
Эти результаты меняют представление об условиях, необходимых для получения одного из самых экстремальных состояний вещества, известных физике. То, для чего, как казалось, нужны столкновения массивных ядер, теперь можно исследовать на гораздо более малых системах, и у учёных появляются новые возможности изучать поведение материи в необычайных условиях.
Тем временем ЦЕРН модернизирует Большой адронный коллайдер, превращая его в более мощный БАК высокой светимости (High-Luminosity LHC). Усовершенствованный ускоритель позволит учёным собрать существенно больше данных о столкновениях и подробнее изучить свойства кварк-глюонной плазмы.
С каждым новым открытием исследователи получают всё более ясное представление о необыкновенном состоянии материи, которое господствовало во Вселенной в первые мимолётные мгновения после Большого взрыва.