Физики, работающие на Большом адронном коллайдере (БАК) в CERN, впервые обнаружили признаки потери энергии кварками и глюонами в столкновениях ядер кислорода. Так называемое гашение струй, наблюдалось в системе из ядер кислорода — самой маленькой ядерной системе, в которой на сегодняшний день удалось зарегистрировать этот эффект. Результаты помогают учёным понять свойства вещества, существовавшего в первые микросекунды после Большого взрыва.
Эксперимент не ставил целью воспроизвести сам Большой взрыв. Исследователи изучали состояние Вселенной спустя несколько микросекунд после её рождения, когда температура была настолько высокой, что протоны и нейтроны ещё не могли существовать в привычном виде. Материя в тот период представляла собой кварк-глюонную плазму — плотную среду из кварков и глюонов, фундаментальных составляющих адронов.
Эта плазма отличается от вещества, которое называют плазмой в исследованиях термоядерного синтеза. В обычной плазме атомы или ионы и электроны существуют в виде заряженной смеси. Кварк-глюонная плазма представляет собой совершенно другое состояние материи, в котором находятся составляющие адронов, взаимодействующие посредством сильного ядерного взаимодействия.
Предыдущие эксперименты показали, что примерно через миллионную долю секунды после Большого взрыва материя уже могла вести себя не как газ, а как жидкость с чрезвычайно низкой вязкостью. Чтобы изучать это состояние в лаборатории, физики сталкивают тяжёлые атомные ядра на огромных энергиях. При столкновении ядер свинца, каждое из которых содержит 208 протонов и нейтронов, удаётся создавать небольшие области кварк-глюонной плазмы.
В ходе таких столкновений могут рождаться кварки или глюоны с очень высокой энергией. Их называют партонами. Непосредственно до детектора они обычно не добираются: покидая кварк-глюонную плазму, партоны распадаются на множество обычных частиц, формируя узкий поток, который называют струёй.
Если высокоэнергетический партон проходит через кварк-глюонную плазму, он взаимодействует с её веществом и теряет часть энергии. В результате связанная с ним струя частиц оказывается ослабленной. Это явление называется потерей энергии партонов, или гашением струй.
Ранее эксперименты со столкновениями протонов показывали коллективное движение образующихся частиц, однако прямых признаков потери энергии партонов обнаружить не удавалось. Поэтому в июле прошлого года исследователи CERN начали серию экспериментов со столкновениями ядер кислорода и неона, чтобы проверить, возникает ли аналогичный эффект в значительно меньших ядерных системах.
Для нового исследования физики использовали детектор ALICE — один из девяти основных детекторов Большого адронного коллайдера. Учёные анализировали рождение нейтральных пионов — частиц, связанных с переносом сильного взаимодействия внутри атомных ядер. В столкновениях кислорода производство этих частиц оказалось подавленным примерно так же, как ранее наблюдалось при столкновениях ядер свинца.
Чтобы определить причину этого подавления, исследователи сравнили результаты со столкновениями кислорода с протонами, полученными в рамках того же экспериментального сеанса. Такое сравнение позволило использовать кислород-протонные столкновения в качестве контрольной системы. Анализ показал, что наблюдаемое подавление согласуется с потерей энергии партонов, то есть с гашением струй.
Столкновения кислорода стали самой маленькой ядерной системой, в которой удалось зарегистрировать прямой признак такого эффекта. При этом исследователи подчёркивают, что это не обязательно абсолютный предел: нельзя утверждать, что ещё меньшие системы принципиально неспособны демонстрировать потерю энергии партонов. В частности, в столкновениях протонов прямого сигнала гашения струй пока не обнаружено.
Результат имеет значение и для понимания природы самой кварк-глюонной плазмы. Ранее считалось, что при достижении достаточно высокой температуры и плотности кварки и глюоны освобождаются от связанных состояний, а образовавшееся вещество должно вести себя скорее как разреженный газ. Однако наблюдаемое коллективное движение частиц указывает на другую картину.
Кварк-глюонная плазма демонстрирует свойства жидкости с очень низкой вязкостью, близкой к пределу, который допускают физические законы. Теперь обнаружение потери энергии партонов в небольшой кислородной системе показывает, что признаки такого коллективного поведения и взаимодействия могут сохраняться даже тогда, когда созданный объём плазмы значительно меньше, чем при столкновениях тяжёлых ядер.
Дополнительным инструментом для изучения этого перехода может стать коллективное течение частиц. Если система слишком мала и содержит недостаточно вещества для надёжного измерения гашения струй, характер движения частиц всё ещё способен предоставить косвенные сведения о взаимодействии партонов со средой. Накопление новых данных может позволить проследить постепенный переход от малых систем к крупным, в которых одновременно становятся хорошо заметны коллективное течение и потеря энергии партонов.
Таким образом, эксперименты с кислородом дают физикам возможность исследовать границу, за которой возникает коллективное состояние кварков и глюонов, и выяснить, насколько малой может быть система, сохраняющая свойства кварк-глюонной плазмы. Это помогает точнее восстановить физические условия, существовавшие в самые ранние этапы эволюции Вселенной.
Исследование на сервере препринтов arXiv.