Крошечные капли кварк-глюонной плазмы обнаружены в столкновениях кислорода

Ученые впервые получили экспериментальные доказательства того, что крошечные капли кварк-глюонной плазмы (КГП) могут образовываться при столкновениях легких ядер кислорода. Это открытие, опубликованное в журнале Physical Review Letters, опровергает прежние представления о том, что для создания этого экзотического состояния материи необходимы столкновения тяжелых ядер, таких как свинец или золото. Кварк-глюонная плазма, в которой кварки и глюоны существуют в свободном виде, считается аналогом состояния Вселенной в первые микросекунды после Большого взрыва.

Столкновения кислорода на LHC и RHIC

Международная коллаборация, работающая на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе и Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории, провела серию экспериментов по столкновению ядер кислорода. В отличие от столкновений тяжелых ядер, которые создают объемные капли КГП, кислород-кислородные столкновения порождают гораздо меньшие по размеру капли. Однако анализ данных показал, что даже эти крошечные капли демонстрируют характерные признаки КГП: коллективное течение частиц и подавление определенных типов адронов.

Исследователи использовали детекторы ALICE на LHC и STAR на RHIC для регистрации продуктов столкновений. Они обнаружили, что эллиптический поток — параметр, описывающий асимметрию разлета частиц, — в кислород-кислородных столкновениях соответствует предсказаниям гидродинамических моделей для КГП. Это указывает на то, что вещество ведет себя как жидкость с очень низкой вязкостью, что является отличительной чертой кварк-глюонной плазмы.

Предыстория и контекст

Открытие КГП в столкновениях тяжелых ядер было сделано еще в 2000-х годах на RHIC, а затем подтверждено на LHC. Долгое время считалось, что для создания достаточно большой и долгоживущей капли КГП необходимо сталкивать ядра с массовым числом порядка 200. Теория предсказывала, что в столкновениях легких ядер, таких как кислород (массовое число 16), кварк-глюонная плазма либо не образуется вовсе, либо ее сигнал будет слишком слабым для обнаружения. Однако новые экспериментальные данные опровергают это предположение.

Для проверки результатов коллаборация провела тщательный анализ фоновых процессов. Они сравнили кислород-кислородные столкновения с протон-протонными и протон-кислородными, которые не должны создавать КГП. Разница в наблюдаемых сигналах подтвердила, что обнаруженный эффект связан именно с образованием КГП, а не с тривиальными эффектами.

Почему кварк-глюонная плазма образуется в легких ядрах?

Кварк-глюонная плазма возникает при экстремально высоких температурах и плотностях энергии. В столкновениях ядер на околосветовых скоростях кинетическая энергия преобразуется в тепловую, нагревая материю до температур порядка 2 триллионов кельвинов. При таких температурах кварки и глюоны «плавится» из адронов, образуя квазисвободную плазму. В тяжелых ядрах эта плазма занимает объем порядка нескольких кубических фемтометров и существует около 10^-23 секунды. В легких ядрах объем меньше, и плазма быстрее остывает, что делает ее обнаружение более сложным. Однако современные детекторы способны регистрировать корреляции между частицами, которые свидетельствуют о коллективном поведении, характерном для жидкой КГП.

Технические подробности эксперимента

Ключевым измерением стало определение эллиптического потока v2. Этот параметр описывает, насколько неравномерно частицы разлетаются в плоскости, перпендикулярной оси столкновения. В протон-протонных столкновениях v2 близок к нулю, а в столкновениях тяжелых ядер достигает 0.1 и более. В кислород-кислородных столкновениях ученые измерили v2 около 0.05, что хорошо согласуется с гидродинамическими расчетами для маленьких капель КГП. Дополнительно было измерено подавление выхода частиц с большим поперечным импульсом (эффект quenching), которое также указывает на наличие плотной среды.

Для исключения систематических ошибок исследователи провели моделирование методом Монте-Карло, используя различные модели ядерной структуры. Они показали, что результаты не зависят от конкретной модели, что укрепляет уверенность в открытии.

Кого затронет и как

Открытие имеет значение для физиков-теоретиков, занимающихся сильными взаимодействиями и ранней Вселенной. Оно предоставляет новую лабораторию для изучения КГП в условиях, которые ранее считались недоступными. Для экспериментаторов это стимул к проведению более детальных измерений с кислородными пучками, которые пока не являются стандартными на ускорителях. В более широком смысле, понимание свойств КГП помогает уточнить модели нейтронных звезд и процессов в ядерных реакторах. Российские ученые из Объединенного института ядерных исследований в Дубне участвуют в коллаборации ALICE, так что работа имеет прямое отношение к отечественной науке.

Что будет дальше

В ближайшие годы планируются специализированные сеансы с кислородными пучками на LHC и RHIC. Ученые надеются измерить другие наблюдаемые, такие как поток частиц разных типов, чтобы точнее определить вязкость и температуру КГП в малых объемах. Возможно, удастся создать еще более мелкие капли, сталкивая ядра гелия или даже отдельные протоны с высокой множественностью. Это позволит проверить границы применимости гидродинамического описания.

Итог

Открытие кварк-глюонной плазмы в столкновениях кислорода доказывает, что это состояние материи может возникать в более легких системах, чем считалось. Результаты расширяют возможности для изучения сильного взаимодействия и приближают нас к пониманию того, как устроена материя в экстремальных условиях. Следите за новостями: в ближайшие годы нас ждут новые эксперименты, которые могут еще сильнее изменить наши представления о фундаментальных силах.