Кварк-глюонная плазма в ЦЕРНе: столкновение каких ядер её вызывает?

Кварк-глюонная плазма возникает при столкновении ядер свинца в эксперименте ALICE на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Это экзотическое состояние материи, существовавшее через микросекунды после Большого взрыва, воссоздается в лаборатории при температурах в триллионы градусов. В 2023 году коллаборация ALICE представила новые данные, указывающие на образование плазмы даже при столкновениях малых систем, но наиболее убедительные признаки получены именно при столкновениях свинец-свинец.

Столкновение ядер свинца: ключ к кварк-глюонной плазме

В эксперименте ALICE на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе физики сталкивают ядра свинца (Pb) с высокой энергией. В результате таких столкновений температура и плотность энергии достигают значений, достаточных для того, чтобы протоны и нейтроны «плавились», высвобождая кварки и глюоны. Именно это состояние и называют кварк-глюонной плазмой. В 2023 году коллаборация ALICE представила новые данные, указывающие на то, что в некоторых событиях плазма образуется даже при столкновениях малых систем, например, протонов с ядрами свинца. Однако наиболее убедительные признаки получены именно при столкновениях свинец-свинец.

Почему для создания кварк-глюонной плазмы используют именно свинец?

Свинец — тяжёлый элемент с 208 нуклонами в ядре, что позволяет достичь большей плотности энергии при столкновении по сравнению с более лёгкими ядрами. Это критически важно для «плавления» адронов. Более лёгкие ядра, такие как протоны, не могут создать достаточную температуру и давление для образования плазмы в больших объёмах. Однако в 2023 году коллаборация ALICE обнаружила признаки плазмы и в столкновениях протонов с ядрами свинца, что стало неожиданностью и открыло новые направления исследований.

Предыстория и контекст

Идея о том, что кварк-глюонная плазма может быть создана в лаборатории, возникла ещё в 1970-х годах. Первые эксперименты на коллайдере RHIC в Брукхейвене (США) в начале 2000-х годов подтвердили её существование при столкновениях ядер золота. ЦЕРН продолжил эти исследования, используя более высокие энергии на БАК. Столкновения ядер свинца стали основным инструментом, так как свинец — тяжёлый элемент, содержащий 208 нуклонов. Это позволяет достичь большей плотности энергии по сравнению с более лёгкими ядрами. В 2010 году коллаборация ALICE впервые объявила о наблюдении кварк-глюонной плазмы при энергии 2,76 ТэВ на нуклонную пару. Последующие эксперименты с более высокими энергиями (5,02 ТэВ) уточнили её свойства.

Как кварк-глюонная плазма отличается от обычной материи?

В обычном веществе кварки связаны внутри протонов и нейтронов сильным взаимодействием, которое переносится глюонами. В кварк-глюонной плазме эти связи разрываются, и кварки с глюонами образуют почти идеальную жидкость с очень низкой вязкостью. Это состояние напоминает то, что было во Вселенной через несколько микросекунд после Большого взрыва. Физики изучают его, чтобы понять, как материя приобрела массу и как происходил фазовый переход от плазмы к адронам.

Технические подробности эксперимента

В эксперименте ALICE используются детекторы, способные регистрировать тысячи частиц, рождающихся при каждом столкновении. Анализируя их распределение и энергии, учёные могут восстановить температуру и плотность плазмы. При столкновениях свинца с энергией 5,02 ТэВ на нуклонную пару температура плазмы достигает нескольких триллионов градусов Цельсия — примерно в 100 000 раз горячее, чем в центре Солнца. Это позволяет изучать свойства сильного взаимодействия в условиях, недоступных для теоретических расчётов.

Какие ещё ядра могут образовывать кварк-глюонную плазму?

Помимо свинца, учёные рассматривают столкновения ядер ксенона, золота и урана. Эксперименты на RHIC показали, что столкновения ядер золота также приводят к образованию плазмы. На БАК планируются тесты с ксеноном, чтобы изучить, как размер ядра влияет на свойства плазмы. Однако свинец остаётся основным выбором из-за высокой плотности энергии и доступности.

Кого затронет и как

Открытие имеет значение для физиков-теоретиков, работающих над квантовой хромодинамикой (КХД). Оно также влияет на космологию, так как помогает моделировать раннюю Вселенную. Для инженеров и технологов косвенный интерес представляет развитие детекторов и методов анализа данных, которые могут найти применение в медицине и материаловедении. В России и СНГ учёные из Объединённого института ядерных исследований в Дубне участвуют в экспериментах ALICE, поэтому новость имеет прямое отношение к научному сообществу региона.

Как учёные из России и СНГ участвуют в этих исследованиях?

Специалисты из ОИЯИ в Дубне вносят вклад в разработку детекторов и анализ данных ALICE. Они участвуют в калибровке оборудования и обработке результатов столкновений. Это сотрудничество позволяет российским физикам быть на переднем крае науки о кварк-глюонной плазме.

Что будет дальше

ЦЕРН планирует продолжать эксперименты с более высокими энергиями после модернизации БАК (HL-LHC), запланированной на 2029 год. Ожидается, что новые данные позволят точнее измерить вязкость плазмы и изучить её квантовые свойства. Также возможно проведение экспериментов с другими ядрами, например, ксеноном, чтобы понять, как размер ядра влияет на образование плазмы.

Когда ожидаются новые результаты по кварк-глюонной плазме?

Следующий крупный этап — запуск HL-LHC в 2029 году, но уже сейчас коллаборация ALICE публикует промежуточные результаты. Например, в 2023 году были представлены данные по столкновениям протонов с ядрами свинца. Физики ожидают, что в ближайшие годы появятся более точные измерения вязкости и температуры плазмы.

Итог

Кварк-глюонная плазма, полученная при столкновении ядер свинца в ЦЕРНе, — это не просто лабораторный курьёз, а окно в первые мгновения жизни Вселенной. Каждое новое измерение приближает нас к пониманию фундаментальных сил природы. Следите за новостями коллаборации ALICE — они могут перевернуть наши представления о материи.