Микроверсия Большого взрыва: физики воссоздали материю ранней Вселенной на Большом адронном коллайдере

Физикам удалось провести серию микроскопических «Больших взрывов» с использованием легких атомных ядер. В ходе недавних экспериментов на Большом адронном коллайдере международная команда ученых из проекта ALICE (ЦЕРН) и Копенгагенского университета изучила поведение ионов кислорода и неона на предельных скоростях. В результате их столкновения образовался сгусток кварк-глюонной материи, аналогичной той, из которой состоял космос в первые микросекунды после зарождения Вселенной. Внимание специалистов привлекло неожиданное пространственное распределение следов распада ядер неона-20: его форма оказалась асимметричной и визуально напомнила кеглю для боулинга.

Кварк-глюонная плазма — это так называемый сверхплотный «суп» из элементарных частиц. Десятилетиями считалось, что для достижения такого агрегатного состояния нужно сталкивать массивные элементы вроде свинца. В ходе масштабных столкновений образуется долгоживущая среда, где легко фиксируются нужные физические эффекты.

Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, опровергает этот стереотип. Ученые доказали, что малые системы также способны порождать эту плазму. Размеры капель материи в новых опытах настолько малы, а время их жизни так скоротечно, что напрямую наблюдать за ними нельзя. Поэтому специалисты анализировали данные о вторичных частицах, в которые превращалась плазма при остывании.

На этом этапе проявилась важная деталь: разлет осколков оказался не хаотичным, а строго зависящим от геометрии исходного ядра. Когда сталкивали ядра кислорода, имеющие сравнительно круглую форму, паттерн частиц получался симметричным. Структура неона-20, напротив, асимметрична и вытянута. При его столкновении карта разлетающихся элементов растягивалась, в точности повторяя силуэт, который авторы работы сравнили с формой кегли.

Полученные данные открывают для фундаментальной науки два новых направления. Во-первых, они устанавливают новые границы того, насколько компактной может быть система для воссоздания материи ранней Вселенной. По словам руководителя проекта Ю Чжоу, это дает ключ к пониманию процессов трансформации плазмы в привычное вещество, из которого состоят звезды и планеты.

Во-вторых, получен принципиально новый инструмент для изучения структуры самих атомных ядер. Вопрос о том, какую форму принимают ядра, занимает научное сообщество более семидесяти лет. Существенный вклад в эту область внес Оге Бор, получивший в 1975 году Нобелевскую премию за исследования формы атомного ядра во время работы в том же Институте Нильса Бора, где сейчас трудятся авторы открытия.

Теперь ученые планируют найти абсолютный минимум, необходимый для создания кварк-глюонной плазмы, проведя опыты с еще более легкими элементами, такими как гелий-4.

Источник: eurekalert.org