Большой взрыв воссоздали в масштабе одного атома: как вытянутые ядра неона раскрыли механику первичной материи Вселенной

В первые микросекунды после возникновения Вселенной привычного нам вещества не существовало. Температура и плотность энергии были настолько высоки, что протоны и нейтроны распадались на свои элементарные составляющие — кварки и глюоны. Это состояние материи физики называют кварк-глюонной плазмой.

В современных лабораториях такую плазму воссоздают на ускорителях высоких энергий, разгоняя ядра атомов почти до скорости света и сталкивая их между собой.

Эксперименты на Большом адронном коллайдере (CERN) и релятивистском коллайдере RHIC в США доказали, что кварк-глюонная плазма ведет себя как жидкость с исчезающе малой вязкостью. Частицы внутри этого сгустка двигаются коллективно и подчиняются законам гидродинамики.

Однако на протяжении полутора десятилетий в физике элементарных частиц не утихал фундаментальный спор. Долгое время считалось, что такая жидкость может возникать только в столкновениях массивных ядер, таких как свинец или золото, где одновременно взаимодействуют сотни протонов и нейтронов. Когда сходные признаки коллективного движения неожиданно зафиксировали в гораздо более мелких системах — при столкновении одиночных протонов, мнения ученых разделились.

Одни физики утверждали, что даже несколько соприкасающихся протонов способны породить крошечную каплю жидкости размером всего в один фемтометр (миллионную долю нанометра). Другие настаивали, что наблюдаемые эффекты вызваны исключительно квантовыми взаимодействиями отдельных частиц и не имеют отношения к макроскопическому течению плазмы.

Точку в этом споре поставило международное исследование коллаборации ALICE на Большом адронном коллайдере, опубликованное в журнале Physical Review Letters. Физики провели эксперимент со столкновением легких ядер кислорода и неона. Результаты не только однозначно подтвердили жидкостную природу микроскопических объемов материи, но и позволили напрямую связать форму атомного ядра с направлением разлета рождающихся частиц.

Как форма области столкновения управляет частицами

Когда два ядра сталкиваются на околосветовой скорости, решающее значение имеет пространственная форма зоны их взаимного перекрытия. Если ядра сталкиваются не строго по центру или сами обладают несферической формой, область энерговыделения оказывается пространственно несимметричной — например, овальной или треугольной.

Внутри образовавшегося сгустка плазмы возникает неравномерное распределение давления:

1. Вдоль короткой оси сжатия расстояние от центра до границы плазмы минимально, поэтому перепад давления от центра к внешнему вакууму оказывается максимальным.
2. Вдоль длинной оси перепад давления нарастает значительно медленнее.

Поскольку жидкость всегда выталкивается в сторону наименьшего сопротивления с максимальным ускорением, материя начинает расширяться неравномерно. Вдоль короткой оси формируется мощный направленный выброс. В результате рождающиеся при остывании плазмы вторичные частицы вылетают наружу преимущественно в определенных направлениях.

Физики называют это явление анизотропным потоком и описывают его с помощью математического разложения углового распределения частиц:

dN / dφ ~ 1 + 2 · v₁ cos(φ - Ψ₁) + 2 · v₂ cos[2(φ - Ψ₂)] + 2 · v₃ cos[3(φ - Ψ₃)] + …

Здесь Ψₙ задает угол плоскости симметрии n-го порядка, а коэффициенты vₙ определяют величину анизотропного потока:

• Эллиптический поток (v₂): показывает, насколько сильно частицы сгруппированы вдоль одной преимущественной оси. Он напрямую зависит от эллиптической вытянутости исходной зоны контакта.
• Треугольный поток (v₃): отражает выброс частиц по трем направлениям и возникает в том случае, если исходная область перекрытия имела треугольную асимметрию.

В столкновениях одиночных протонов геометрия зоны удара случайна и меняется от события к событию из-за непредсказуемых квантовых флуктуаций. Чтобы строго доказать гидродинамическую природу процесса, ученым требовалось устранить эту неопределенность и использовать ядра с заранее известной пространственной конфигурацией.

Внутренняя архитектура кислорода и неона

В качестве инструмента проверки физики выбрали два легких изотопа: кислород-16 (¹⁶O) и неон-20 (²⁰Ne).

В основном квантовом состоянии оба эти ядра при усреднении по времени кажутся сферическими. Однако в каждый конкретный момент времени протоны и нейтроны внутри них распределены не хаотично: они объединяются в плотные кластеры, состоящие из двух протонов и двух нейтронов (так называемые альфа-кластеры, идентичные ядрам гелия-4).

• Кислород-16 состоит из четырех таких кластеров, расположенных в пространстве в вершинах правильного тетраэдра — четырехгранника с треугольными гранями. Эта форма обладает выраженной октупольной деформацией (треугольной асимметрией).
• Неон-20 содержит пять альфа-кластеров: четыре из них формируют остов кислорода, а пятый присоединяется с одной из сторон. В результате ядро неона приобретает вытянутую пространственную структуру с выраженной квадрупольной деформацией (эллиптической вытянутостью).

Массы кислорода-16 и неона-20 очень близки: 16 и 20 нуклонов соответственно. Объем рождающейся кварк-глюонной среды и время ее жизни в обоих случаях практически идентичны.

Это создает идеальные условия для контролируемого эксперимента: если коллективное поведение частиц подчиняется законам гидродинамики, то столкновения вытянутых ядер неона должны давать заметно больший эллиптический поток (v₂), а столкновения тетраэдрических ядер кислорода — больший треугольный поток (v₃).

Эксперимент на детекторе ALICE

Сеанс одновременного сбора данных по столкновениям легких ионов прошел на Большом адронном коллайдере на энергии 5,36 тераэлектронвольта (ТэВ) в расчете на каждую сталкивающуюся пару нуклонов.

Установка ALICE зарегистрировала 3 миллиарда столкновений кислород-кислород и 400 миллионов столкновений неон-неон.

Главной технической задачей было отделение истинного гидродинамического течения от паразитных шумов. В экспериментах на ускорителях частицы часто вылетают парами по причинам, никак не связанным с гидродинамикой (например, из-за распада короткоживущих резонансов или фрагментации жестких кварковых струй).

Чтобы исключить эти посторонние эффекты, физики применили строгий математический аппарат:

1. Пространственный интервал по псевдобыстроте (|Δη| > 1,4): детекторы учитывали только те частицы, которые разлетались под существенно разными продольными углами. Это позволило отсечь локальные парные корреляции.
2. Многочастичные кумулянты (vₙ{4}): вместо анализа корреляции пар частиц физики измерили корреляцию сразу четырех частиц в каждом событии. Четырехчастичный кумулянт математически подавляет любые негидродинамические парные процессы. Если величина v₂{4} положительна и стабильна, это служит прямым свидетельством того, что все частицы в объеме движутся синхронно как единая среда.

Что показали измерения

Анализ данных подтвердил теоретические предсказания с высокой точностью.

1. Превосходство эллиптического потока у неона

В центральных столкновениях, когда ядра сталкиваются практически в лоб, отношение эллиптического потока неона к кислороду достигло величины 1,08. Это означает, что эллиптический поток в неоне на 8% сильнее.

По мере снижения центральности (когда ядра задевают друг друга лишь краями) это отношение быстро опускается до 1,05. Данный результат напрямую отражает тот факт, что в центральных событиях форма зоны энерговыделения определяется вытянутой формой самого ядра неона.

2. Преобладание треугольного потока у кислорода

При сопоставлении величин v₃ и v₂ кислород-16 показал более высокое относительное значение треугольного потока в сверхцентральных соударениях по сравнению с неоном.

Четыре альфа-кластера кислорода, образующие тетраэдр, создают треугольные грани в зоне соприкосновения, что усиливает октупольный компонент давления.

3. Исчезновение математических парадоксов

В предыдущих попытках описать столкновения одиночных протонов с помощью гидродинамики ученые сталкивались с неразрешимой расчетной трудностью: вычисленный четырехчастичный кумулянт v₂{4} в моделях приобретал отрицательный знак под корнем, что давало физически бессмысленный мнимый результат.

В столкновениях легких ядер кислорода и неона эта проблема полностью исчезла. Гидродинамические модели естественным образом и без искусственной подгонки параметров совпали с экспериментальными кривыми v₂{4}.

Исследование структуры внутри нуклонов

Особая ценность работы заключается в использовании метода отношений между двумя системами: все параметры для неона делились на соответствующие параметры для кислорода.

Поскольку обе системы обладают практически одинаковым физическим размером, эффекты поздних стадий эволюции (остывание плазмы, превращение кварков в адроны, их взаимные упругие столкновения и распады) полностью компенсируют друг друга при делении. В результате в полученном отношении остается только информация о начальном состоянии материи в момент удара.

Физики сопоставили экспериментальные данные ALICE с ведущими теоретическими расчетами на основе релятивистской гидродинамики. Это сопоставление выявило критическую зависимость результатов от эффективного поперечного размера сгустков энергии внутри самих нуклонов (параметр w_q).

Модели, в которых протон и нейтрон рассматривались как относительно однородные образования с характерным размером неоднородностей около 0,40 фемтометра, заметно завысили экспериментальное отношение потоков.

Полное совпадение с данными детектора ALICE продемонстрировала гидродинамическая модель IP-Glasma, где размер индивидуальных глюонных флуктуаций внутри нуклона составляет около 0,11 фемтометра.

Ранее это значение было независимо получено на электрон-протонном коллайдере HERA в Германии при изучении дифракционного рождения тяжелых мезонов. Таким образом, столкновения легких ядер подтвердили, что внутренняя структура протонов и нейтронов на высоких энергиях представляет собой совокупность ультраплотных, компактных центров концентрации глюонных полей.

Главные итоги и значение исследования

Результаты эксперимента ALICE приводят к трем ключевым выводам для фундаментальной физики:

1. Доказано существование фемтоскопических капель жидкости. Коллективное гидродинамическое течение кварк-глюонной плазмы — это универсальный механизм, работающий даже в масштабах систем из полутора-двух десятков нуклонов. Наблюдаемые анизотропные потоки частиц формируются именно за счет перепада гидродинамического давления в расширяющейся среде, а не в результате изолированных квантовых интерференций.
2. Создан новый способ измерения геометрии атомных ядер. Высокоэнергетические столкновения на коллайдере позволяют исследовать форму и многочастичные корреляции в основном состоянии атомных ядер. Угловое распределение вторичных адронов сохраняет детальную информацию о расположении альфа-кластеров внутри ядра в момент удара.
3. Уточнены масштабы внутренней структуры нуклонов. Эксперимент позволил ограничить размер субнуклонных неоднородностей в протонах и нейтронах диапазоном 0,1-0,2 фемтометра, что критически важно для проверки расчетов квантовой хромодинамики на решетках.

Эксперимент на Большом адронном коллайдере связал физику сверхвысоких энергий и гидродинамику ранней Вселенной с низкоэнергетической ядерной физикой строения атомных ядер.

Теперь ученые получили метод, позволяющий изучать форму и внутренние квантовые состояния материи во всем диапазоне масштабов — от объема целого атомного ядра до отдельных субнуклонных компонентов внутри протона.

Источник: Physical Review Letters