26 апреля 2017

Ученые случайно создали на БАК материю времен Большого взрыва

Физики из ЦЕРН заявляют, что им удалось случайно создать на Большом адронном коллайдере (БАК) кварково-глюонную плазму, материю времен Большого взрыва. Результаты этих экспериментов были опубликованы в журнале Nature Physics.

"Мы очень рады этому открытию. У нас появилась новая возможность изучать материю в ее первичном состоянии. Возможность изучать кварково-глюонную плазму в более простых и удобных условиях, таких как столкновения протонов, открывает для нас целое новое измерение того, как мы можем изучать то, как Вселенная вела себя во время и до Большого взрыва", — заявил Федерико Антинори (Federcio Antinori), официальный представитель коллаборации ALICE в рамках БАК.

Так называемая кварково-глюонная плазма, или "квагма", представляет собой материю, "разобранную" на мельчайшие частицы – кварки и глюоны, обычно удерживаемые внутри протонов, нейтронов и других частиц сильными ядерными взаимодействиями. Для "освобождения" кварков и глюонов необходимы гигантские температуры и энергии, которые, как сегодня считают ученые, существовали в природе только в момент Большого взрыва.

Примерно десять лет назад физики выяснили, что такие условия можно создать, если сталкивать достаточно тяжелые ионы друг с другом при помощи мощных ускорителей частиц. Долгое время ученые считали, что иным образом "квагму" получить невозможно, но в прошлом году они увидели первые признаки того, что это не так, когда изучали результаты последних экспериментов на детекторе CMS в составе БАК. Оказалось, что "первичная материя Вселенной" образуется при столкновениях одиночных протонов и ионов свинца.

Антинори и его коллеги обнаружили, что некий аналог квагмы возникает и при столкновении протонов между собой, изучая данные, собранные детектором ALICE после перезапуска БАК в апреле 2015 года и по сегодняшний день.

Протоны и нейтроны состоят из двух типов субатомных частиц – "нижних"(d) и "верхних"(u) кварков. Существует еще четыре типа кварков – прелестные (b), зачарованные (c), странные (s) и истинные (t). Они составляют основу экзотических форм материи и не существуют в природе в стабильном виде. Все эти кварки, как рассказывают ученые, могут сформироваться только в присутствии "свободных" глюонов, внутри кварково-глюонной плазмы.

Как показали наблюдения на ALICE, столкновение протонов между собой часто приводило к появлению микроскопических "облачков" из кварково-глюонной плазмы – "супа" из кварков и глюонов из разрушенных протонов, разогретых до невообразимо высоких температур – около четырех триллионов градусов Цельсия. Ее следы в виде частиц, содержащих так называемые "странные" кварки, были зафиксированы детектором в больших количествах.

Что интересно, частицы с большим числом "странных" кварков появлялись чаще, чем остальные продукты столкновений протонов. Как считают ученые, это указывает на необычные обстоятельства их рождения, связанные с теми условиями, которые царили внутри кварково-глюонной плазмы в момент ее формирования.

Это, по их мнению, говорит о том, что свойства "квагмы" можно изучать, используя столкновения "удобных" для физиков протонов, а не сложных тяжелых ионов, что приблизит нас к пониманию того, как Вселенная выглядела до и во время Большого взрыва.

Большой адронный коллайдер, сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров более чем из 100 стран. «Большим» назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; «адронным» — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; «коллайдером» (англ. collider — сталкиватель) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.