175
Уявіть, що замість гігантських «ядерних таранів» достатньо відносно легких ядер кисню чи неону, щоб на мить повернутися в перші мікросекунди після Великого вибуху. Саме це показали нові результати з Великого адронного колайдера: за даними, зібраними всіма чотирма основними експериментами LHC, легкі іони здатні створювати кварк-глюонну плазму — первісну матерію Всесвіту. Про це розповідає матеріал SciTechDaily.
Що відомо коротко
- У зіткненнях ядер кисню та неону в LHC зафіксовано сигнали, сумісні з утворенням кварк-глюонної плазми (QGP).
- QGP існує за температур понад 100 000 разів вищих за температуру в центрі Сонця і відповідає стану матерії перших мікросекунд після Великого вибуху.
- Раніше вважали, що QGP можна створити лише у зіткненнях дуже важких ядер, наприклад свинцю, але нові дані це спростовують.
- Ознаки QGP виявили всі чотири великі експерименти LHC: ALICE, ATLAS, CMS та LHCb, аналізуючи зіткнення кисень–кисень і неон–неон.
- Ключові докази базуються на втраті енергії частинок, пригніченні народження частинок та анізотропному потоці — характерних «відбитках» плазми.
Що таке кварк-глюонна плазма і чому вона дивує
Звичайна матерія навколо нас складається з протонів і нейтронів, а ті — з кварків, склеєних глюонами. У кварк-глюонній плазмі ця «цегляна кладка» розвалюється: кварки й глюони вільно рухаються в надщільному, надгарячому «супі».
Цей стан матерії, за уявленнями фізиків, заповнював увесь Всесвіт у перші мільйонні частки секунди після Великого вибуху. Здавалося логічним, що відтворити його можна лише, розганяючи й стикаючи гігантські важкі ядра на кшталт свинцю — наче потрібно дві величезні кувалди, щоб розбити «цеглини» протонів і нейтронів.
Несподіванка в тому, що тепер подібні ознаки QGP бачать і в зіткненнях набагато легших ядер кисню та неону. Це схоже на ситуацію, коли виявляється, що не лише вантажівка, а й легковик може пробити бетонну стіну, якщо їхати достатньо швидко.
Як легкі іони показали сліди первісної матерії
Перші натяки на те, що QGP може виникати й у «менших» системах, з’явилися, коли колаборація ALICE побачила ознаки плазми у зіткненнях протон–протон і протон–свинець. Згодом усі чотири експерименти LHC виявили перші індикатори QGP у зіткненнях кисень–кисень.
Після детальнішого аналізу даних фізики знайшли кілька незалежних типів сигналів, які вказують на утворення щільного середовища, характерного для кварк-глюонної плазми, як у зіткненнях кисень–кисень, так і неон–неон.
Як втрата енергії видає щільну плазму
Один із ключових «підписів» QGP — те, як швидкі кварки й глюони втрачають енергію, пролітаючи крізь гарячу плазму. Це явище називають втратою енергії партонів.
Колаборація ATLAS побачила цю втрату через дисбаланс між парами струменів частинок (джетів), що утворюються в зіткненнях кисень–кисень і неон–неон. Чим більш центральним, тобто «лобовим», було зіткнення, тим сильнішим ставав дисбаланс — ніби один із двох струменів проходив крізь густіший шар «космічного туману» і більше гальмувався.
Попередні вимірювання ATLAS заряджених частинок, що відлітають у протилежний бік від фотонів, показали таку саму залежність від центральності зіткнення. Це знову узгоджується з картиною, де частинки втрачають енергію, перетинаючи плазму.
Пригнічення народження частинок і «важкі» свідки
Експерименти ALICE, CMS і LHCb шукали втрату енергії партонів інакше — за тим, наскільки менше енергійних частинок народжується в зіткненнях, ніж очікується.
CMS виявив пригнічення виробництва заряджених частинок у зіткненнях кисень–кисень і неон–неон порівняно з протон–протон. Така «нестача» частинок вказує на втрату енергії й підтримує сценарій утворення QGP навіть у зіткненнях легких іонів.
LHCb зосередився на частинках, що складаються з одного чарівного кварка і одного легкого кварка. У зіткненнях неон–неон ці частинки пригнічувалися сильніше, ніж у кисень–кисень. Це відповідає очікуванням: важчий неон створює більший об’єм плазми, тож частинки втрачають більше енергії.
Щоб відокремити вплив інших процесів, які теж можуть зменшувати кількість частинок, ALICE порівняв нейтральні піони в зіткненнях кисень–кисень і протон–кисень. У даних кисень–кисень отримали однозначні докази втрати енергії партонів.
Короткоживучі мезони та колективний «потік»
Ще один тип сигналу QGP пов’язаний із частинками, що складаються з важкого кварка та його антикварка. Такі пари можуть утворювати стани з різною «міцністю зв’язку», і плазма має легше руйнувати слабко зв’язані стани, ніж міцніші.
CMS виявив таку картину серед мезонів апсілон (upsilon), які містять нижній (bottom) кварк і його антикварк, порівнюючи зіткнення кисень–кисень і неон–неон. LHCb повідомив попередні свідчення подібного пригнічення, аналізуючи дані протон–кисень і кисень–кисень.
ALICE також представив попередні результати щодо напрямків, у яких вилітають частинки після зіткнень кисень–кисень. Частинки з трьох кварків (баріони) показали сильніший напрямлений винос, ніж частинки з двох кварків (мезони. Це явище називають анізотропним потоком.
Найкраще пояснення такої картини — що кварк-глюонна плазма передає свій колективний рух частинкам, які утворюються при проміжних значеннях імпульсу. Оскільки баріони містять на один кварк більше, ніж мезони, вони можуть «успадкувати» більшу частку цього потоку.
Що це означає для розуміння Всесвіту
Незалежні сигнали з різних експериментів і різних типів частинок складаються в єдину картину: навіть легкі іони, як-от кисень і неон, здатні створювати умови, за яких матерія повертається до свого первісного стану — кварк-глюонної плазми.
Фізики продовжують «прочісувати» дані зіткнень легких іонів у пошуках нових доказів і тонших ефектів. Тим часом LHC модернізують до режиму Високої світності (High-Luminosity LHC), що дозволить ще детальніше досліджувати цю екстремальну форму матерії.
FAQ
Це вже остаточний доказ існування кварк-глюонної плазми в легких іонах?
Набір сигналів дуже переконливий, але дослідники продовжують аналіз, щоб відокремити внесок інших процесів і зменшити невизначеності. Йдеться про послідовне накопичення доказів, а не про одну «чарівну» вимірювальну ознаку.
Чому вчені раніше були впевнені, що потрібні лише важкі ядра?
Моделі показували, що для створення достатньо великого й гарячого об’єму матерії потрібна велика кількість нуклонів, тобто важкі ядра. Легкі системи вважалися надто «малими» і «швидкоплинними», щоб там встигла сформуватися плазма з колективними властивостями.
Чим корисні такі дослідження, окрім розуміння раннього Всесвіту?
Вони перевіряють теорію сильних взаємодій у режимах, недоступних іншим експериментам, і допомагають зрозуміти, як поводиться матерія за екстремальних умов. Це фундаментальні знання, які можуть вплинути на моделі нейтронних зірок та інших космічних об’єктів.
Що змінить модернізація до High-Luminosity LHC?
Більша світність означає більше зіткнень і, відповідно, більше даних. Це дозволить вивчати рідкісні процеси, точніше вимірювати вже відомі ефекти QGP і перевіряти, чи зберігаються ці закономірності для різних типів іонів і енергій.
Те, що відносно легкі ядра можуть відтворювати стан матерії перших мікросекунд Всесвіту, показує, наскільки «тонкою» є межа між звичною нам речовиною і її первісною формою. Виявляється, щоб зазирнути в найдавнішу епоху космосу, не завжди потрібні найважчі «тарани» — достатньо правильно поєднати енергію, щільність і уважний погляд детекторів.
Легкі ядра в LHC відтворили первісну матерію Всесвіту з’явилася спочатку на Цікавості.
