На Большом адронном коллайдере обнаружены новые признаки первичной материи ранней Вселенной

Первые мгновения после Большого взрыва остаются одной из самых загадочных эпох в истории Вселенной. В течение нескольких микросекунд после ее рождения привычных атомов, молекул и даже протонов с нейтронами еще не существовало. Материя находилась в совершенно ином состоянии, которое физики называют кварк-глюонной плазмой. Именно к пониманию этой экстремальной фазы существования вещества приблизились ученые, работающие на Большом адронном коллайдере (БАК) в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН).

Сразу четыре крупнейших эксперимента БАК — ALICE, ATLAS, CMS и LHCb — представили новые результаты, свидетельствующие о том, что кварк-глюонная плазма может возникать не только при столкновениях очень тяжелых атомных ядер, но и при столкновениях значительно более легких элементов — кислорода и неона. Это открытие расширяет представления физиков о механизмах образования одного из самых экстремальных состояний материи, когда-либо существовавших во Вселенной.

Кварк-глюонная плазма представляет собой особое состояние вещества, возникающее при температурах, превышающих температуру в центре Солнца более чем в сто тысяч раз. В таких условиях привычные протоны и нейтроны перестают существовать как отдельные частицы. Их внутренние составляющие — кварки и удерживающие их глюоны — освобождаются и образуют чрезвычайно горячую плотную среду, свойства которой существенно отличаются от обычной материи.

Современные космологические модели предполагают, что именно кварк-глюонная плазма заполняла всю Вселенную в первые микросекунды после Большого взрыва. По мере расширения и охлаждения космоса кварки начали объединяться в протоны и нейтроны, а затем появились атомы, звезды, галактики и все известные сегодня космические структуры.

Воссоздать подобные условия можно лишь в крупнейших ускорителях частиц. Большой адронный коллайдер разгоняет атомные ядра почти до скорости света, после чего сталкивает их друг с другом. В момент столкновения высвобождается колоссальное количество энергии, позволяющее на чрезвычайно короткое время воспроизвести температуру и плотность вещества, существовавшие вскоре после рождения Вселенной.

Долгое время считалось, что образование кварк-глюонной плазмы возможно исключительно при столкновениях тяжелых ионов, прежде всего ядер свинца, содержащих более двухсот нуклонов. Такие столкновения создают достаточно большой объем горячей материи, необходимый для формирования плазмы.

Однако за последние несколько лет ситуация начала меняться. Исследования постепенно показали, что характерные признаки кварк-глюонной плазмы могут появляться и в значительно меньших системах. Сначала ученые обнаружили необычные эффекты при столкновениях протонов, затем — протонов со свинцом. Теперь аналогичные сигналы зарегистрированы при столкновениях кислорода с кислородом и неона с неоном.

Особенно ценными стали результаты независимых экспериментов, поскольку каждая из четырех коллабораций использовала собственные методы анализа. Несмотря на различия в подходах, все они получили взаимно подтверждающие результаты, что значительно повышает достоверность выводов.

Одним из наиболее убедительных признаков образования кварк-глюонной плазмы считается потеря энергии быстро движущимися кварками и глюонами при прохождении через горячую среду. Это явление известно как потеря энергии партонов или jet quenching. Если частица проходит через кварк-глюонную плазму, она сталкивается с огромным количеством свободных кварков и глюонов, постепенно теряя часть своей энергии.

Эксперимент ATLAS обнаружил этот эффект при анализе струй частиц, возникающих после столкновений кислорода и неона. Исследователи заметили, что чем более центральным было столкновение, тем сильнее нарушался баланс энергии между противоположно направленными струями. Подобная картина соответствует прохождению одной из струй через более плотный объем кварк-глюонной плазмы.

Эксперименты CMS, ALICE и LHCb использовали другой подход. Вместо анализа струй ученые изучали количество различных типов частиц, возникающих после столкновений. Если кварк-глюонная плазма действительно формируется, образование высокоэнергетических частиц должно заметно подавляться из-за потери энергии кварками еще до их превращения в привычные адроны.

Именно такую картину зарегистрировали детекторы. CMS обнаружил заметное уменьшение количества заряженных частиц при столкновениях кислорода и неона по сравнению с аналогичными столкновениями протонов. В свою очередь, LHCb показал, что эффект становится сильнее при использовании более тяжелых ядер неона, что соответствует образованию большего объема кварк-глюонной плазмы.

Дополнительным подтверждением стали результаты эксперимента ALICE, который исследовал образование нейтральных пионов. Сравнение столкновений кислорода с кислородом и протонов с кислородом позволило исключить влияние ряда альтернативных процессов и получить наиболее убедительные доказательства того, что потеря энергии действительно связана с существованием кварк-глюонной плазмы.

Еще один важный показатель — поведение тяжелых кварков. При столкновениях часто возникают связанные состояния тяжелого кварка и соответствующего антикварка, например ипсилон-мезоны, содержащие нижние кварки. Если образуется кварк-глюонная плазма, такие частицы начинают разрушаться значительно чаще, поскольку чрезвычайно горячая среда ослабляет силы, удерживающие кварки вместе.

Именно подобное подавление связанных состояний зарегистрировали CMS и LHCb. Более слабосвязанные состояния исчезали чаще, чем устойчивые, что полностью соответствует современным теоретическим моделям кварк-глюонной плазмы.

Не менее интересные результаты представил эксперимент ALICE, изучавший так называемое анизотропное течение частиц. После столкновения кварки и глюоны движутся не хаотично, а демонстрируют коллективное поведение, напоминающее течение жидкости. Анализ показал, что барионы, состоящие из трех кварков, проявляют этот эффект сильнее, чем мезоны, содержащие два кварка. Подобное различие считается одним из характерных признаков образования кварк-глюонной плазмы и подтверждает наличие коллективной динамики вещества.

Полученные результаты существенно меняют представления о минимальных условиях, необходимых для появления этого необычного состояния материи. Если раньше считалось, что кварк-глюонная плазма возникает только при столкновениях самых тяжелых атомных ядер, то теперь становится очевидно, что подобная среда может формироваться и в значительно меньших системах. Это открывает новое направление исследований, позволяющее изучать переход между обычной ядерной материей и кварк-глюонной плазмой значительно детальнее.

Для фундаментальной физики подобные открытия имеют огромное значение. Изучение кварк-глюонной плазмы помогает проверить квантовую хромодинамику — теорию сильного взаимодействия, описывающую поведение кварков и глюонов. Одновременно ученые получают возможность глубже понять физические процессы, происходившие в первые миллионные доли секунды после рождения Вселенной, когда формировались основы современной структуры материи.

Исследования продолжаются. В ближайшие годы Большой адронный коллайдер пройдет масштабную модернизацию и превратится в БАК высокой светимости. Новый режим работы позволит получать значительно больше столкновений и существенно увеличить объем экспериментальных данных. Благодаря этому физики смогут точнее определить свойства кварк-глюонной плазмы, выяснить границы ее существования и приблизиться к ответам на фундаментальные вопросы о происхождении материи и эволюции ранней Вселенной.