Великий адронний колайдер виявив плазму раннього Всесвіту в легких зіткненнях

Мініатюрний ранній Всесвіт у зіткненнях кисню та неону

Довгий час вважалося, що для створення QGP потрібні зіткнення дуже важких ядер, насамперед свинцю. Свинцеві ядра більш ніж у 200 разів важчі за протони, тож очікувалося, що лише вони здатні забезпечити достатній тиск і температуру.

Однак нові результати змінюють цю картину. Після перших в історії зіткнень ядер кисню на ВАК, а також зіткнень неону, всі чотири колаборації повідомили ознаки того, що первісна плазма може виникати і в системах з легшими ядрами. Раніше колаборація ALICE вже знаходила натяки на QGP у зіткненнях протон-протон і протон-свинець, а також у перших даних зіткнень кисень-кисень.

Тепер детальніші аналізи зіткнень кисню та неону дають кілька незалежних свідчень того, що умови, потрібні для утворення цієї екзотичної матерії, не обмежуються лише найважчими ядрами.

Як фізики «бачать» плазму: втрата енергії частинок

Один із найнадійніших способів виявити кварк-глюонну плазму — простежити, що відбувається з енергійними кварками та глюонами, коли вони проходять крізь неї. У надгарячому й щільному середовищі вони втрачають частину енергії — явище, відоме як втрата енергії партонів.

Колаборація ATLAS виявила цей ефект, аналізуючи пари струменів частинок (джетів), що утворюються, коли енергійні кварки та глюони вилітають із зони зіткнення. У зіткненнях кисень-кисень і неон-неон дослідники побачили різницю в енергії між парними джетами, що вказує на втрату енергії частинок у середовищі, через яке вони проходили.

Найсильніший ефект спостерігався в більш «лобових» (центральних) зіткненнях, де ядра влучають одне в одне майже по центру. Такі події мають створювати більший об’єм плазми, тож частинки проходять довший шлях у гарячій матерії й втрачають більше енергії.

Попередні результати ATLAS додатково підтверджують цю картину: аналіз заряджених частинок, що вилітають у протилежний бік від фотонів, показав подібну залежність втрати енергії від центральності зіткнення.

ALICE, CMS і LHCb: різні методи — спільний результат

Колаборації ALICE, CMS та LHCb шукали ті самі фізичні процеси, але іншим шляхом. Замість детального аналізу енергії джетів вони вивчали, як плазма впливає на кількість певних енергійних частинок.

CMS виявила, що виробництво заряджених частинок у зіткненнях кисень-кисень і неон-неон пригнічене порівняно зі зіткненнями протон-протон. Таке зменшення узгоджується з тим, що частинки втрачають енергію всередині QGP, і підтримує висновок, що плазма може утворюватися й у легших ядрах.

LHCb додала ще одну підказку, досліджуючи частинки, що містять чарівний кварк (charm) і легший кварк. Порівняння пригнічення їх виробництва в зіткненнях кисню та неону показало, що в неоні, який важчий, ефект сильніший. Саме таку поведінку очікують, якщо більші зіткнення створюють більший об’єм плазми, а отже — більшу втрату енергії частинок.

Водночас саме по собі зменшення кількості частинок ще не доводить, що причина — втрата енергії в QGP: інші процеси теж можуть давати подібну картину. Щоб це перевірити, ALICE порівняла виробництво нейтральних піонів у зіткненнях кисень-кисень і протон-кисень. Це порівняння дало однозначні докази втрати енергії партонів у зіткненнях кисень-кисень, що посилило аргументи на користь утворення плазми навіть у відносно невеликих ядерних системах.

Екзотичні мезони та «анізотропний потік»

Ще одна характерна ознака QGP пов’язана з частинками, утвореними з важкого кварка та відповідного антикварка. Після високоефективних зіткнень вони можуть коротко зв’язуватися в різні стани, одні з яких зв’язані міцніше, інші — слабше. Плазма по-різному «руйнує» ці стани, і за ступенем їх пригнічення можна судити про наявність QGP.

Колаборація CMS знайшла свідчення такого різного пригнічення для мезонів upsilon, що складаються з нижнього кварка (bottom) та антикварка. Ефект виявили, порівнюючи зіткнення кисень-кисень і неон-неон. LHCb повідомила попередні дані про подібну поведінку, аналізуючи зіткнення протон-кисень і кисень-кисень. Разом ці результати доповнюють картину: плазма раннього Всесвіту може виникати в зіткненнях значно менших, ніж традиційні свинцеві.

ALICE виявила ще один можливий «підпис» QGP, пов’язаний із напрямками, у яких вилітають частинки після зіткнення. У попередніх результатах показано, що частинки з трьома кварками (бариони) у зіткненнях кисень-кисень мають сильнішу перевагу певних напрямків, ніж частинки з двома кварками (мезони. Це явище називають анізотропним потоком.

Замість рівномірного розльоту в усі боки частинки формують візерунки, що відображають умови всередині створеної матерії. Провідне пояснення пов’язує це з утворенням QGP: частинки з проміжними імпульсами можуть «успадковувати» колективний рух кварків у плазмі. Оскільки баріони містять три кварки, а мезони — два, баріони отримують більшу частку цього потоку, що й дає спостережувану різницю.

Нові можливості для вивчення перших миттєвостей Всесвіту

Фізики продовжують аналізувати дані зіткнень легших ядер, щоб краще зрозуміти, як саме формується й поводиться кварк-глюонна плазма. Сукупність результатів змінює уявлення про те, які умови потрібні для виникнення одного з найекстремальніших відомих станів матерії.

Те, що раніше здавалося можливим лише в зіткненнях масивних ядер, тепер можна досліджувати в набагато менших системах. Це відкриває нове «вікно» у фізику раннього Всесвіту та дозволяє точніше вивчати поведінку матерії за екстремальних температур і густин.

Тим часом CERN модернізує ВАК до конфігурації ВАК високої світності (High-Luminosity LHC). Потужніший прискорювач дасть змогу зібрати значно більше даних про зіткнення й детальніше дослідити властивості кварк-глюонної плазми. З кожним новим вимірюванням учені отримують чіткіше уявлення про дивовижний стан матерії, який домінував у Всесвіті в його перші миті після Великого вибуху.

Великий адронний колайдер виявив плазму раннього Всесвіту в легких зіткненнях з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com