Физики впервые получили кварк-глюонную плазму, сталкивая лёгкие ядра кислорода и неона
Раньше считалось, что для этого нужны только тяжёлые ядра вроде свинца
По следам столкновения удалось прочитать форму самих ядер: кислород — округлый, неон — вытянутый, как кегля
Следующий этап — столкновения ещё более лёгкого гелия-4
Трудно представить, что за миллионную долю секунды может произойти что-то значимое, — но именно в этот ничтожный промежуток уместился один из поворотных моментов в истории космоса. Физики считают, что кварк-глюонная плазма, самая ранняя форма материи во Вселенной, возникла в такой краткий миг после Большого взрыва примерно 13,8 миллиарда лет назад.
Источник изображения — popsci.com
Это невероятно плотное и горячее состояние вещества существовало в момент, когда молодая Вселенная была настолько раскалена, что не позволяла формироваться протонам и нейтронам. По мере остывания и расширения космоса свободно летавшие кварки и глюоны начали связываться друг с другом, создавая строительные блоки всей материи — включая те самые протоны и нейтроны, из которых состоят атомы.
Проблема, которая не сходилась
С теорией, однако, была неувязка. Долгое время исследователи полагали, что плазму такого рода можно получить только при столкновении атомов с крайне тяжёлыми ядрами — например, свинца.
Чтобы разобраться с этой загадкой, команда Копенгагенского университета совместно с ЦЕРН решила воспроизвести собственные «маленькие» большие взрывы, разгоняя элементы почти до скорости света и сталкивая их друг с другом. Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, стали серьёзным прорывом: они показывают, что первичный «бульон» из кварков и глюонов возможен и с более лёгкими ингредиентами.
Источник изображения — popsci.com
Как читают форму ядра по «тени»
«Точное понимание структуры ядра помогает нам понять сильное взаимодействие, — говорит Ю Цзоу, соавтор исследования, ныне работающий в Мэрилендском университете. — Но вместо того чтобы аккуратно изучать ядра при низких энергиях, мы сталкиваем их на самых высоких энергиях, которые способны создать, и теперь умеем считывать их форму по отпечатку, который они оставляют».
В этом случае учёные исследовали последствия столкновения сравнительно небольших ядер кислорода-16 и неона-20. Само столкновение наблюдать невозможно — взаимодействие происходит непостижимо быстро, — но можно изучить частицы и ту форму, которую они образуют вскоре после.
Соавтор работы, физик Института Нильса Бора Эмиль Горм Дальбек Нильсен, сравнивает ситуацию со светом и его отсутствием: «Это немного похоже на то, как вы освещаете предмет и видите его тень. Сам предмет вы видеть не можете, но тень выдаёт его форму. Точно так же движение частиц раскрывает геометрическую форму атомных ядер, которые были в начале столкновения».
Кислород круглый, неон похож на кеглю
Теперь физики знают: столкновение двух ядер кислорода порождает более округлую картину разлёта частиц, а неоновые ядра дают рисунок, скорее напоминающий кеглю для боулинга.
Причина этой разницы кроется в самой структуре ядер. Ядро неона-20 физики описывают как вытянутое, тогда как кислород-16 ближе к сфере, — и при столкновении именно геометрия определяет, как вещество разлетается в стороны. Ценность метода в том, что структуру ядра традиционно изучали на низких энергиях и совсем другими приборами: теперь один и тот же эксперимент даёт данные сразу о двух областях физики.
Важная оговорка
Хотя разлетевшиеся частицы показывают, что кварк-глюонную плазму действительно можно получить с помощью лёгких элементов, это вовсе не означает, что ядра кислорода или неона присутствовали сразу после Большого взрыва. Тогда никаких ядер ещё не существовало в принципе — они появились гораздо позже.
Смысл эксперимента в другом: он показывает, что для рождения плазмы не требуется столько вещества, сколько считалось раньше. А значит, условия, характерные для ранней Вселенной, воспроизводятся проще и в более широком круге случаев, чем предполагала прежняя картина.
Что дальше
Следующий этап снова будет связан со столкновением атомных ядер — на этот раз ещё более лёгких кандидатов вроде гелия-4. Логика ясна: исследователи нащупывают нижнюю границу — минимальный размер системы, при котором кварк-глюонная плазма ещё возникает. Именно эта граница и есть главный интересующий физиков ответ.
Для Цзоу примечательно то, что один эксперимент одновременно помогает изучать структуру атомных ядер и воссоздавать древнейшие мгновения Вселенной. «Эти две вещи оказываются связаны гораздо теснее, чем можно подумать поначалу», — отмечает он.
Стоит добавить и практический контекст. Кварк-глюонная плазма — самая горячая и самая «текучая» субстанция, известная науке: температура в момент столкновения превышает несколько триллионов градусов, а вязкость оказывается ниже, чем у любой известной жидкости. Живёт она ничтожные доли секунды и никакого прикладного применения не имеет — вся ценность в понимании сильного взаимодействия, той самой силы, что удерживает вместе ядра всех атомов вокруг нас.
