Физики из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете воспроизвели в лаборатории состояние материи, существовавшее во Вселенной примерно в первые миллионные доли секунды после Большого взрыва. Для этого исследователи использовали столкновения атомных ядер кислорода-16 и неона-20, показав, что кварк-глюонную плазму можно создавать с помощью значительно более лёгких ядер, чем считалось ранее.
Эксперимент провели в рамках международной коллаборации ALICE на Большом адронном коллайдере CERN. При столкновении ядер, разогнанных почти до скорости света, возникают экстремальные температуры и плотности, при которых протоны и нейтроны распадаются на составляющие их кварки и глюоны. Образуется кварк-глюонная плазма — состояние материи, которое, предположительно, заполняло Вселенную на самых ранних этапах её существования.
До сих пор считалось, что для получения такого состояния необходимо сталкивать очень тяжёлые ядра, например свинца. Исследователи под руководством доцента Ю Чжоу показали, что аналогичный результат возможен при столкновениях значительно более лёгких ядер кислорода-16 и неона-20.
Учёные установили, что образовавшиеся при столкновениях небольшие области кварк-глюонной плазмы расширяются и распадаются таким образом, который соответствует поведению плазмы при столкновении тяжёлых ядер. Это означает, что теперь для изучения первичной материи Вселенной можно использовать гораздо более широкий набор экспериментальных систем.
Полученный результат позволяет исследовать не только раннюю Вселенную, но и структуру атомных ядер. Сама кварк-глюонная плазма существует чрезвычайно короткое время, поэтому непосредственно наблюдать её невозможно. Вместо этого физики анализируют частицы, возникающие после её охлаждения и распада.
Оказалось, что распределение и движение этих частиц сохраняют информацию о форме исходных ядер. При столкновении примерно сферических ядер кислорода получавшийся рисунок был близок к округлому. В случае неона, ядро которого имеет вытянутую и асимметричную форму, распределение частиц также приобретало вытянутую конфигурацию.
Исследователи сравнивают этот эффект с тенью: сам объект невозможно увидеть непосредственно, но его тень позволяет определить форму. Таким же образом траектории частиц после столкновения позволяют восстановить геометрию атомного ядра.
Изучение формы ядер традиционно проводится при относительно низких энергиях, когда физики анализируют их вращения и колебания. Новый метод позволяет получать сведения о структуре ядер при экстремально высоких энергиях, где ключевую роль играет сильное взаимодействие — одна из четырёх фундаментальных сил природы.
Исследователи считают, что такой подход может открыть новый способ изучения ядер, структура которых пока плохо изучена. Вместо исследования их свойств при низких энергиях физики смогут сталкивать ядра на релятивистских скоростях и определять их форму по характеру частиц, возникающих после столкновения.
Следующим этапом может стать проведение экспериментов с ещё более лёгкими ядрами, например с гелием-4. Это позволит определить минимальный размер сталкивающихся ядер, при котором ещё возникает кварк-глюонная плазма. Установление такой границы поможет уточнить модели квантовой хромодинамики и лучше восстановить условия, существовавшие во Вселенной примерно через миллионную долю секунды после Большого взрыва.
Исследование в журнале Physical Review Letters.