2718
На Великому адронному колайдері (LHC) з’явилися нові докази того, що кварк-глюонна плазма, особливий стан матерії, який існував у ранньому Всесвіті, може утворюватися не лише під час зіткнень важких атомних ядер. Про ознаки її появи під час зіткнень ядер кисню та неону повідомили всі чотири великі колаборації CERN: ALICE, ATLAS, CMS і LHCb. Результати з’явилися через рік після перших в історії експериментів зі зіткненням ядер кисню на LHC.
Яка матерія заповнювала ранній Всесвіт
Кварк-глюонна плазма (QGP) формується за надзвичайно високих температур і тиску. Коли температура перевищує температуру в центрі Сонця більш ніж у 100 тисяч разів, протони й нейтрони втрачають звичну структуру та розпадаються на кварки й глюони, тобто на частинки, які зазвичай утримують кварки разом.
Фізики припускають, що саме в такому стані перебувала матерія Всесвіту протягом перших мільйонних часток секунди після Великого вибуху. Сьогодні дослідники можуть ненадовго відтворювати подібні умови, зіштовхуючи атомні ядра на дуже високих енергіях.
Раніше для цього переважно використовували важкі ядра свинцю, які більш ніж у 200 разів масивніші за протони, що зазвичай застосовуються в експериментах колайдера. Вважалося, що лише такі зіткнення можуть створити достатньо гаряче та щільне середовище для появи QGP.
Водночас попередні експерименти вже вказували на можливість її утворення під час зіткнень протонів між собою, протонів зі свинцем і ядер кисню. Нові результати додають доказів того, що цей процес відбувається і в системах із легшими ядрами.
Як науковці побачили втрату енергії частинками
Однією з характерних ознак кварк-глюонної плазми є втрата енергії кварками та глюонами під час руху крізь надзвичайно гаряче й щільне середовище. Цей процес називають втратою енергії партонів.
Колаборація ATLAS вивчала струмені частинок, тобто вузькі потоки, що виникають після зіткнення енергійних кварків і глюонів. Дослідники порівнювали пари таких струменів у зіткненнях кисню з киснем і неону з неоном та виявили різницю в їхній енергії. Це вказує на те, що частина енергії втрачається, коли частинки проходять крізь навколишню матерію.
Особливо помітним цей ефект був у центральних зіткненнях, коли ядра рухаються майже назустріч одне одному. Такі події мають створювати більший об’єм плазми, тож частинки проходять крізь більше речовини і можуть втрачати більше енергії.
Інші колаборації шукали схожі ознаки альтернативними методами. CMS зафіксувала пригнічення утворення заряджених частинок у зіткненнях кисню та неону порівняно зі зіткненнями протонів. LHCb виявила сильніше пригнічення народження частинок із чарівним кварком у неонових зіткненнях, ніж у кисневих. Ця різниця узгоджується з припущенням, що більші зіткнення створюють більший об’єм плазми.
Водночас саме лише зменшення кількості частинок ще не доводить, що причиною є втрата енергії. Тому ALICE порівняла утворення нейтральних піонів у зіткненнях кисню з киснем і з протонами. Цей аналіз дав однозначні свідчення втрати енергії партонів у зіткненнях кисневих ядер.
Нові ознаки та наступні кроки
Додаткові підказки з’явилися під час вивчення мезонів і баріонів, частинок, що складаються відповідно з двох і трьох кварків. У попередніх результатах ALICE виявила, що в зіткненнях кисню баріони демонструють сильнішу перевагу певних напрямків руху, ніж мезони. Це явище називають анізотропним потоком. Одне з можливих пояснень полягає в тому, що кварки, з яких формуються частинки, успадковують колективний рух речовини, створеної під час зіткнення.
CMS і LHCb також повідомили про ознаки різного ступеня пригнічення утворення зв’язаних станів важкого кварка та його антикварка. Зокрема, CMS досліджувала мезони іпсилон, що складаються з b-кварка та його антикварка. Разом результати чотирьох колаборацій розширюють можливості вивчення кварк-глюонної плазми: тепер науковці можуть досліджувати умови її утворення не лише під час зіткнень масивних ядер, а й у значно менших системах.
Тим часом CERN модернізує Великий адронний колайдер, перетворюючи його на Високосвітний LHC. Після модернізації прискорювач зможе збирати значно більше даних про зіткнення, що дасть змогу детальніше вивчати властивості матерії, яка існувала у Всесвіті в перші миті після Великого вибуху.
Джерело: portaltele.com.ua
