Международная группа физиков-ядерщиков совершила прорыв в понимании того, как формируются мельчайшие атомные ядра при экстремальных температурах, воссоздаваемых в Большом адронном коллайдере (БАК) ЦЕРН. Это открытие проливает свет на одну из давних загадок физики элементарных частиц: каким образом хрупкие ядра дейтеронов и антидейтеронов могут существовать в условиях, во много раз превышающих температуру ядра Солнца.
Долгое время учёные задавались вопросом, как эти «нежные» частицы, состоящие всего из одного протона и одного нейтрона, связанных относительно слабой силой, могли бы выдержать колоссальный жар, возникающий при протонных столкновениях на БАК. Температура здесь достигает значений, более чем в 100 000 раз превышающих температуру солнечного ядра, и, казалось бы, любое такое ядро должно было бы мгновенно распасться. Тем не менее, дейтероны и антидейтероны постоянно регистрировались в экспериментах.
Теперь физики выяснили, что эти ядра не «выживают» адский жар, а образуются позже – после того, как условия в месте столкновения начинают остывать и успокаиваться. Протоны и нейтроны, необходимые для создания дейтеронов, высвобождаются при распаде чрезвычайно короткоживущих высокоэнергетических состояний частиц, так называемых резонансов. Как только эти элементарные частицы освобождаются и температура снижается, они могут объединяться, формируя дейтероны. Тот же механизм объясняет и образование антидейтеронов – ядер из антиматерии. Около 90 процентов наблюдаемых дейтеронов, как показали новые данные, возникают именно благодаря этому процессу.
Профессор Лаура Фаббиетти, физик-ядерщик из Технического университета Мюнхена (TUM) и член кластера передового опыта ORIGINS, подчеркивает значимость этого открытия. «Наш результат – это важный шаг к лучшему пониманию сильного взаимодействия – той фундаментальной силы, которая связывает протоны и нейтроны в атомном ядре. Измерения ясно показывают: лёгкие ядра образуются не на горячей начальной стадии столкновения, а позже, когда условия становятся несколько холоднее и спокойнее», – отмечает она.
Доктор Максимилиан Малейн, исследователь из лаборатории Фаббиетти, добавляет, что полученные результаты имеют куда более широкие последствия. «Наше открытие важно не только для фундаментальных исследований в ядерной физике. Лёгкие атомные ядра также образуются в космосе – например, при взаимодействии космических лучей. Они даже могут дать подсказки о всё ещё загадочной тёмной материи. С нашими новыми выводами можно улучшить модели образования этих частиц и более надёжно интерпретировать космические данные».
ЦЕРН, Европейская организация по ядерным исследованиям, является крупнейшим в мире центром исследований в области физики элементарных частиц. На его территории расположен Большой адронный коллайдер – 27-километровый подземный кольцевой ускоритель. Здесь протоны сталкиваются друг с другом на скоростях, близких к световой. Эти столкновения воссоздают условия, подобные тем, что существовали вскоре после Большого взрыва, достигая температур и энергий, которые невозможно найти в других местах сегодня. Это позволяет учёным изучать материю на её самом базовом уровне и проверять фундаментальные законы природы.
Одним из ключевых экспериментов БАК является ALICE (A Large Ion Collider Experiment), который сосредоточен на понимании сильного взаимодействия, удерживающего атомные ядра вместе. ALICE функционирует как огромная «камера», способная отслеживать и реконструировать до 2000 частиц, образующихся в одном столкновении. Таким образом, исследователи стремятся воссоздать ранние моменты Вселенной и понять, как горячая смесь кварков и глюонов в конечном итоге сформировала стабильные атомные ядра и, в конечном счёте, всю материю, из которой состоит наш мир.
Исследование, внесшее ясность в процесс образования дейтеронов, было опубликовано в авторитетном научном журнале «Nature». Оно стало возможным благодаря сотрудничеству научных групп, включая тех, кто работает в рамках кластера ORIGINS, изучающего то, как Вселенная и её структуры возникли, от галактик и звёзд до планет и основных компонентов жизни. А также в рамках исследовательского центра SFB 1258, который концентрируется на фундаментальных вопросах физики, уделяя особое внимание слабому взаимодействию – одной из четырёх фундаментальных сил природы.
