Физики воссоздали вещество ранней Вселенной при столкновении ядер кислорода
Американские физики получили новые убедительные доказательства образования кварк-глюонной плазмы — необычного состояния вещества, существовавшего в первые микросекунды после Большого взрыва. Исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили, что при столкновении ядер кислорода почти со скоростью света возникает сверхгорячая среда, в которой высокоэнергетические частицы теряют часть своей энергии. Эксперимент показал, что признаки кварк-глюонной плазмы можно наблюдать даже при столкновении сравнительно лёгких атомных ядер.
Результаты получены международной группой STAR на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC в США. Учёные проанализировали данные столкновений ядер кислорода, зарегистрированные в 2021 году при энергии 200 гигаэлектронвольт на пару нуклонов. Главным результатом стало обнаружение подавления выхода высокоэнергетических частиц примерно на 20%, что считается одним из характерных признаков образования кварк-глюонной плазмы.
Кварк-глюонная плазма представляет собой состояние вещества, в котором кварки и глюоны не связаны внутри протонов и нейтронов. Согласно современным космологическим представлениям, подобная среда заполняла Вселенную в первые мгновения её существования, когда температура была настолько высокой, что привычные атомные ядра ещё не могли сформироваться.
По мере расширения и охлаждения Вселенной кварки и глюоны объединились в протоны, нейтроны и другие частицы. Сегодня подобные условия можно на чрезвычайно короткое время воспроизвести в ускорителях, сталкивая атомные ядра при огромных энергиях. Однако возникающая плазма существует менее одной миллиардной миллиардной доли секунды, поэтому непосредственно наблюдать её практически невозможно.
Для изучения необычного состояния вещества исследователи используют явление, известное как подавление струй частиц. Во время столкновения ядер отдельные кварки и глюоны могут взаимодействовать с большой энергией, образуя направленные потоки вторичных частиц. Их называют струями, или джетами.
Если такие струи проходят через кварк-глюонную плазму, они взаимодействуют с окружающей средой и постепенно теряют энергию. В результате детекторы регистрируют меньше высокоэнергетических частиц, чем ожидалось бы при отсутствии горячей и плотной среды. Именно этот эффект ранее помог подтвердить образование кварк-глюонной плазмы при столкновениях тяжёлых ядер золота и свинца.
В новом исследовании физики использовали значительно более лёгкие ядра кислорода, каждое из которых содержит восемь протонов и восемь нейтронов. Такие столкновения создают меньшую область горячего вещества и позволяют проверить, насколько небольшой может быть система, в которой возникают характерные свойства кварк-глюонной плазмы.
Учёные сравнили столкновения, при которых ядра кислорода взаимодействовали почти напрямую, с менее центральными столкновениями. В первом случае образуется больше вторичных частиц и вероятность возникновения плазмы выше. Анализ показал, что в наиболее интенсивных столкновениях выход определённых высокоэнергетических струй и частиц оказался примерно на 20% ниже, чем в менее интенсивных событиях.
Полученный результат свидетельствует о потере энергии при прохождении частиц через плотную среду. Хотя подавление оказалось слабее, чем при столкновениях тяжёлых ядер золота, его статистическая значимость позволила исследователям сделать вывод о наличии выраженного эффекта подавления струй.
До сих пор физики пытались определить минимальные размеры и энергию столкновений, при которых может возникать кварк-глюонная плазма. Ранее признаки коллективного движения частиц обнаруживали даже в небольших системах, однако этого было недостаточно для однозначного подтверждения образования плазмы.
Новые результаты предоставляют дополнительное свидетельство того, что характерные свойства первичного вещества возникают и при столкновениях ядер кислорода. Особенно важно, что эффект обнаружен при значительно меньшей энергии, чем в аналогичных экспериментах на Большом адронном коллайдере CERN.
Данные двух ускорителей позволят сравнить поведение кварк-глюонной плазмы в различных условиях и приблизиться к определению минимальной энергии, необходимой для её возникновения. Исследователи также рассчитывают изучить новые результаты столкновений кислорода, зарегистрированные детекторами STAR и sPHENIX во время заключительной серии экспериментов RHIC в феврале 2026 года.
Релятивистский коллайдер тяжёлых ионов завершил работу 6 февраля 2026 года после 25 лет исследований. Однако накопленные за это время данные продолжат использоваться для изучения свойств кварков, глюонов и процессов, происходивших в ранней Вселенной.
Исследование в журнале Physical Review Letters.