1113
У перші мільйонні частки секунди після Великого вибуху Всесвіт перебував у надзвичайно гарячому й густому стані, відомому як кварк-глюонна плазма. Команда фізиків з Університету Копенгагена та CERN відтворила «малі» версії цих космічних умов, розганяючи легкі атомні ядра до майже світлових швидкостей на Великому адронному колайдері. Як повідомляє видання Popular Science, результати свідчать, що таку первісну плазму можна створити не лише з надважких елементів, а й з набагато легших.
Що таке кварк-глюонна плазма
Сучасна теорія описує найраніший стан матерії у Всесвіті як кварк-глюонну плазму — надгарячу «суперсуміш» вільних кварків і глюонів. У цей момент температура була настільки високою, що протони й нейтрони ще не могли утворитися.
Лише коли космос почав розширюватися й охолоджуватися, кварки та глюони зв’язалися між собою, сформувавши протони й нейтрони — будівельні блоки всіх атомів. Відтворити ці умови в лабораторії означає краще зрозуміти, як саме виникла звична нам матерія.
Чому це відкриття стало несподіванкою
Довгий час фізики вважали, що кварк-глюонна плазма утворюється лише під час зіткнень дуже важких ядер, наприклад свинцю. Масивні ядра дають достатньо енергії та густини, щоб «розплавити» протони й нейтрони на окремі кварки та глюони.
Щоб перевірити цю уяву, дослідники вирішили влаштувати серію «малих» Великих вибухів, але вже з легшими елементами. Вони спрямували одне на одного ядра кисню-16 та неону-20, розігнані до колосальних енергій у Великому адронному колайдері.
Результати, опубліковані в журналі Physical Review Letters, вказують на те, що характерні ознаки кварк-глюонної плазми з’являються і в таких легких системах. Це означає, що первісний «суп» раннього Всесвіту можна отримати з набагато скромніших за масою інгредієнтів, ніж вважалося раніше.
Як читають «тінь» атомних ядер
Безпосередньо побачити сам момент зіткнення неможливо: усе відбувається за неймовірно короткий час. Натомість фізики аналізують частинки, які вилітають після удару, та їхній просторовий розподіл.
Співавтор роботи Ю Чжоу (You Zou), нині фізик Університету Меріленда, пояснює, що замість повільного вивчення ядер за низьких енергій команда «розбиває» їх на максимально можливих енергіях і відчитує їхню форму за відбитком, який вони залишають у потоці частинок.
Інший учасник дослідження, фізик Нільс Борівського інституту Еміль Горм Дальбек Нільсен (Emil Gorm Dahlbæk Nielsen), порівнює це з грою світла й тіні: ми не бачимо сам об’єкт, але за його тінню можемо відновити форму. Так само траєкторії частинок після зіткнення розкривають геометрію ядер на початку події.
Кисень, неон і «формат» вибуху
Аналіз показав, що зіткнення двох ядер кисню дає більш округлий малюнок розльоту частинок. Натомість удари між ядрами неону створюють анізотропний візерунок, схожий на форму кеглі для боулінгу.
Ці відмінності у «візерунках» підтверджують, що навіть легкі ядра можуть створювати умови, достатні для утворення кварк-глюонної плазми. Водночас це не означає, що кисень або неон обов’язково були присутні в перші миті після Великого вибуху. Йдеться радше про принципову можливість отримати такий стан матерії з легших систем.
Попри це, дослідники вважають, що наблизилися до розуміння того, які саме зіткнення частинок могли відбуватися в ранньому Всесвіті та які ядра могли відігравати ключову роль.
Наступний крок — ще легші ядра
У подальших експериментах команда планує використовувати ще легші ядра, наприклад гелій-4. Це дасть змогу перевірити, наскільки «мінімальною» може бути система, в якій все ще утворюється кварк-глюонна плазма, і водночас уточнити моделі сильної взаємодії, що зв’язує кварки всередині частинок.
Для Ю Чжоу особливо привабливо, що один і той самий експеримент дозволяє одночасно вивчати структуру атомних ядер і відтворювати умови найперших митей існування Всесвіту. За словами дослідника, ці два завдання виявилися набагато тісніше пов’язаними, ніж можна було очікувати.
Фізики створили «малі» Великий вибухи з легких атомів з’явилася спочатку на Цікавості.
