Все четыре основных эксперимента на Большом адронном коллайдере (БАК) подтвердили, что кварк-глюонная плазма – первичное состояние материи – может возникать при столкновении лёгких атомных ядер, таких как кислород и неон. Результаты ставят под сомнение многолетнее представление о том, что для её образования необходимы столкновения чрезвычайно тяжёлых ядер, например свинца. Это открывает новые возможности для изучения условий, которые существовали в первые мгновения после Большого взрыва.
Кварк-глюонная плазма – это экстремальное состояние, в котором вещество находилось в первую микросекунду существования Вселенной. При температурах, в сотни тысяч раз превышающих температуру в центре Солнца, протоны и нейтроны распадаются на свои фундаментальные составляющие – кварки и глюоны. Ранее считалось, что воссоздать такие условия в коллайдере можно, только сталкивая ядра свинца, которые более чем в 200 раз тяжелее протонов.
Новые данные, полученные коллаборациями ALICE, ATLAS, CMS и LHCb, предоставляют убедительные доказательства обратного. Одним из ключевых признаков образования плазмы служат потери энергии элементарными частицами, проходящими сквозь неё. Эксперимент ATLAS зафиксировал этот эффект, проанализировав пары «струй» – потоков частиц, рождающихся в столкновениях ядер кислорода и неона. Разница в энергии между частицами в паре указала на то, что они тормозились в плотной среде. Эффект усиливался при лобовых столкновениях, которые, как ожидается, создают больший объём плазмы.
Другие эксперименты подтвердили эти выводы, используя иной подход. Они зафиксировали, что в столкновениях лёгких ядер рождается меньше определённых высокоэнергетических частиц по сравнению с протон-протонными столкновениями. Это «подавление» также объясняется потерями энергии в кварк-глюонной плазме. Причём в столкновениях более тяжёлого неона подавление оказалось сильнее, чем у кислорода, что соответствует теоретическим ожиданиям.
Дополнительные свидетельства были получены при изучении поведения частиц, состоящих из тяжёлого кварка и его антикварка. Такие пары нестабильны и легко разрушаются в плазме. Характер этого процесса, наблюдаемый экспериментами CMS и LHCb, также указывает на формирование кварк-глюонной плазмы. Наконец, коллаборация ALICE обнаружила ещё один признак – так называемый анизотропный поток, когда частицы после столкновения разлетаются не равномерно, а в предпочтительных направлениях. Этот эффект объясняется коллективным движением кварков внутри плазмы.
Полученные результаты меняют представления физиков об условиях, необходимых для создания одного из самых экстремальных состояний материи. Учёные продолжают анализировать данные, а будущая модернизация коллайдера до проекта «БАК высокой светимости» (High-Luminosity LHC) позволит собрать значительно больше статистики и детальнее исследовать свойства плазмы ранней Вселенной.
