У Великому адронному колайдері (LHC) отримали нові свідчення того, що кварк-глюонна плазма — надзвичайний стан матерії, який існував у ранньому Всесвіті, — може виникати не лише під час зіткнення важких атомних ядер. Усі чотири великі наукові колаборації CERN — ALICE, ATLAS, CMS і LHCb — повідомили про ознаки її утворення під час зіткнень ядер кисню та неону.
Результати з’явилися через рік після перших в історії експериментів зі зіткненням ядер кисню на LHC. Вони ставлять під сумнів давнє уявлення про те, що для створення кварк-глюонної плазми потрібні винятково масивні атомні ядра.
Матерія, якою був наповнений ранній Всесвіт
Кварк-глюонна плазма (QGP) виникає за надзвичайно високих температур і тиску. За умов, 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 — частинки, які зазвичай утримують кварки разом.
Фізики вважають, що саме в такому стані перебувала матерія Всесвіту протягом перших мільйонних часток секунди після Великого вибуху. Сьогодні дослідники можуть на короткий час відтворювати подібні умови, зіштовхуючи атомні ядра на надзвичайно високих енергіях.
Традиційно для цього використовували переважно важкі ядра свинцю. Вони більш ніж у 200 разів масивніші за протони, які зазвичай застосовують в експериментах колайдера. Вважалося, що лише такі зіткнення здатні створити достатньо гаряче й щільне середовище для появи QGP.
Однак попередні експерименти вже вказували на можливість її утворення під час зіткнень протонів між собою, протонів зі свинцем, а також ядер кисню. Нові результати дають додаткові докази цього процесу в системах із легшими ядрами.
Як дослідники виявили 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 досліджувала струмені частинок — вузькі потоки, які виникають після зіткнення енергійних кварків і глюонів. Науковці порівнювали пари таких струменів під час зіткнень кисню з киснем і неону з неоном. Вони виявили різницю в енергії між струменями, що вказує на втрату частиною частинок енергії під час проходження крізь навколишню матерію.
Особливо помітним ефект був під час центральних зіткнень, коли ядра рухаються майже назустріч одне одному. Такі події мають створювати більший об’єм плазми, тому частинки проходять крізь більше речовини й можуть втрачати більше енергії.
Інші колаборації шукали подібні ознаки за допомогою альтернативних методів. 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 зіткненнях неону, ніж кисню. Така різниця узгоджується з припущенням, що більші зіткнення створюють більший об’єм плазми.
Водночас саме по собі зменшення кількості частинок ще не доводить, що причиною є втрата енергії. Тому ALICE порівняла утворення нейтральних піонів у зіткненнях кисню з киснем і протонами. Цей аналіз надав однозначні свідчення втрати енергії партонів у зіткненнях кисневих ядер.
Нові ознаки та наступний етап досліджень
Додаткові підказки отримали під час вивчення мезонів і баріонів — частинок, що складаються відповідно з двох і трьох кварків. У попередніх результатах ALICE виявила, що під час зіткнень 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 із важкого кварка та його антикварка. Зокрема, CMS досліджувала мезони іпсилон, що складаються з b-кварка та його антикварка. Сукупність результатів чотирьох колаборацій розширює можливості дослідження кварк-глюонної плазми. Тепер науковці можуть вивчати 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 досліджувати властивості матерії, яка панувала у Всесвіті в перші миті після Великого вибуху.