Четверть века физики на Лонг-Айленде разгоняют в коллайдере ядра атомов золота почти до скорости света и сталкивают их лоб в лоб, чтобы получить самое горячее вещество, которое когда-либо удавалось создать на Земле. Разлетающийся при этом «суп» из частиц напоминает состояние Вселенной сразу после Большого взрыва. Теперь исследователям впервые удалось достаточно точно измерить температуру этого экзотического состояния материи.
При столкновении ядра золота буквально распадаются изнутри: протоны и нейтроны «плавятся» и превращаются в кипящее облако кварк-глюонной плазмы. В таких условиях Вселенная находилась в самые первые мгновения своего существования, когда она была настолько горячей и плотной, что ни обычные атомы, ни даже их «кирпичики» вроде протонов и нейтронов еще не могли сформироваться. Вместо этого весь космос заполнял огненный коктейль из кварков и глюонов, частиц, которые переносят сильное взаимодействие и скрепляют атомные ядра.
«Это строительные блоки частиц, из которых состоит видимый мир, и мы пытаемся понять, как они устроены», говорит физик Чжанбу Сюй из Национальной лаборатории имени Брукхейвена и Университета Кентского штата.
Эксперимент проходит в Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвене, внутри детектора STAR. По кольцу длиной почти 4 километра навстречу друг другу летят ядра золота, разогнанные до колоссальных скоростей. В момент столкновения они разрушаются и превращаются в крошечное облако кварк-глюонной плазмы. Это облако живет ничтожную долю секунды, быстро остывает и рождает огромное количество новых частиц, среди которых есть фотоны и пары из электрона и его античастицы, позитрона.
Физики измеряли диапазоны масс таких пар электрон-позитрон, чтобы по ним восстановить энергию породивших их фотонов, а затем определить температуру, при которой эти фотоны излучались. Расчеты показали поистине невероятное значение примерно 3,3 триллиона градусов Цельсия, то есть около 5,94 триллиона градусов по Фаренгейту. Это примерно в 220 тысяч раз горячее, чем в центре Солнца. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Знание этой температуры помогает физикам понять, когда и как пылающая первозданная Вселенная перешла из состояния кварк-глюонной плазмы к привычным нам частицам и атомам. Эти два состояния можно рассматривать как разные фазы материи, наподобие знакомых каждому твердого тела, жидкости и газа. «Мы хотим построить нечто вроде самого фундаментального фазового диаграммы, какую только можно себе представить», объясняет Франк Гёртс из Университета Райса, официальный представитель коллаборации STAR. По его словам, трудно придумать объект для такой диаграммы интереснее, чем строительные блоки самой Вселенной.
Сам ускоритель RHIC и эксперимент STAR сейчас завершают свой последний рабочий цикл, начавшийся еще 25 лет назад. В ближайшие месяцы установки планируют остановить, чтобы переоборудовать площадку под новый, более крупный комплекс под названием Electron-Ion Collider, запуск которого намечен на начало 2030-х годов. Даже после остановки STAR ученым еще предстоит несколько лет анализировать накопленные данные, уточняя характеристики этого первозданного космического огня.