Большой адронный коллайдер (LHC) позволил учёным получить лучшее представление о кварк-глюонной плазме — первичной материи, заполнявшей Вселенную в первые мгновения после Большого взрыва.
В первые доли секунды существования Вселенной космос был заполнен горячей и плотным первичным «супом» из кварк-глюонной плазмы. Учёные CERN воссоздали эту плазму, сталкивая атомные ядра железа на околосветовых скоростях в 27-километровом кольцевом ускорителе LHC, расположенном глубоко под Французскими Альпами. Этот проект носит название ALICE (A Large Ion Collider Experiment).
Команда ALICE получила новые данные о кварк-глюонной плазме и условиях в ранней Вселенной, обнаружив закономерность, общую для столкновений протонов, столкновений протонов с ядрами свинца и столкновений ядер свинца. Эта закономерность может раскрыть, как формировалась кварк-глюонная плазма сразу после Большого взрыва, указывая на то, что её можно создать в меньших столкновениях частиц, чем считалось ранее.
Изначально считалось, что столкновения протонов, а также протонов с ядрами свинца, слишком малы для генерации кварк-глюонной плазмы. Однако недавние наблюдения показали признаки этой первичной материи как в малых столкновениях, так и в столкновениях ядер свинца.
Одним из признаков кварк-глюонной плазмы является анизотропный поток частиц — их неравномерное излучение в предпочтительном направлении. На промежуточных скоростях этот поток зависит от числа кварков, составляющих частицы. Барионы, состоящие из трёх кварков, демонстрируют более сильный поток, чем мезоны, состоящие из двух кварков.
В новом исследовании коллаборация ALICE измерила анизотропный поток для различных мезонов и барионов, созданных в столкновениях протонов и протонов с ядрами свинца. Изолировав частицы, движущиеся вместе, команда подтвердила, что, как и в тяжёлых столкновениях, более лёгкие столкновения приводят к более сильному потоку барионов и более слабому потоку мезонов на промежуточных скоростях.
Это первый случай, когда мы наблюдали, на большом интервале импульсов и для множества видов частиц, эту закономерность в подмножестве столкновений протонов, в которых образуется необычно большое количество частиц. Наши результаты подтверждают гипотезу о том, что расширяющаяся система кварков присутствует даже при малых размерах системы столкновений
Команда ALICE сравнила наблюдения потоков с моделями формирования кварк-глюонной плазмы, обнаружив, что закономерность потоков соответствует моделям, учитывающим образование барионов и мезонов. Модели, не учитывающие коалесценцию кварков (слияние частиц), не смогли воспроизвести наблюдаемую закономерность.
Исследователи также обнаружили, что даже лучшие модели не могут полностью объяснить наблюдаемый поток. Некоторые расхождения, по мнению команды, могут быть устранены с помощью учёта столкновений частиц, размеры которых находятся между размерами протонов и железа.
«Мы ожидаем, что результаты столкновения с участием кислорода, записанные в 2025 году и заполняющие разрыв между столкновениями протонов и свинца, дадут новые данные о природе и эволюции кварк-глюонной плазмы в различных системах столкновений», — отметил представитель ALICE Кай Шведа (Kai Schweda). Это приблизит учёных к пониманию условий, существовавших в самом начале Вселенной.