Большой адронный коллайдер дал физикам наиболее полную на сегодняшний день картину кварк-глюонной плазмы — первичного вещества, которое заполняло космос сразу после Большого взрыва. Результаты эксперимента ALICE опубликованы в журнале Nature Communications.
Как воссоздали условия рождения Вселенной
В первые доли секунды после рождения Вселенная представляла собой горячий и плотный первичный суп под названием кварк-глюонная плазма. Чтобы воссоздать это состояние, ученые CERN на 27-километровом кольцевом ускорителе, расположенном глубоко под Французскими Альпами, сталкивали ядра железа на почти световых скоростях.
Неожиданная находка о столкновениях протонов
Команда ALICE получила новые данные о кварк-глюонной плазме, заметив общую закономерность в трех типах столкновений: между протонами, между протонами и ядрами свинца, а также между самими ядрами свинца. Эта закономерность может объяснить, как именно формировалась плазма после Большого взрыва. Оказывается, она может возникать при более мелких столкновениях частиц, чем считалось раньше.
Один из главных признаков кварк-глюонной плазмы — неравномерный выброс частиц. Частицы летят не во все стороны одинаково, а в предпочтительном направлении. Ученые называют это анизотропным потоком. На промежуточных скоростях анизотропный поток зависит от числа кварков, из которых состоят частицы. Более тяжелые частицы с тремя кварками демонстрируют более сильный поток, чем легкие частицы из двух кварков.
Ученые считают, что это связано с процессом сборки кварков в более крупные частицы. Чем больше кварков, тем сильнее поток.
Подтверждение гипотезы о малых столкновениях
В новом исследовании коллаборация ALICE измерила анизотропный поток для разных частиц, рожденных при столкновениях протон-протон и протон-свинец. Выделив частицы, летящие вместе, команда подтвердила, что даже в легких столкновениях, как и в тяжелых, более крупные частицы имеют более сильный поток, а более мелкие — более слабый на промежуточных скоростях.
Координатор физики эксперимента ALICE Дэвид Добригкейт Чинеллато заявил, что это первое наблюдение подобной картины потока в широком интервале импульсов и для нескольких типов частиц в тех протонных столкновениях, где рождается необычно много частиц. Полученные результаты подтверждают гипотезу о том, что расширяющаяся система кварков присутствует даже при малых размерах зоны столкновения.
Сравнение с моделями
Команда ALICE сравнила свои наблюдения с компьютерными моделями формирования кварк-глюонной плазмы. Картина потока хорошо совпала с теми моделями, которые учитывают образование крупных и мелких частиц. А вот модели, не учитывающие этот процесс слияния кварков, не смогли воспроизвести наблюдаемую картину.
Исследователи также обнаружили, что даже самые лучшие модели не до конца объясняют все наблюдаемые особенности. Остаются некоторые расхождения. Ученые считают, что их помогут устранить столкновения других частиц — размером между протоном и железом. Представитель эксперимента ALICE Кай Шведа сообщил, что столкновения с кислородом, записанные в 2025 году, которые заполняют разрыв между протонными и свинцовыми столкновениями, дадут новое понимание природы и эволюции кварк-глюонной плазмы в разных системах столкновений.
Таким образом, ученые сделали еще один шаг к пониманию условий, которые существовали на самой заре Вселенной, сообщает Space.com.
