Первозданная тайна Вселенной: Большой адронный коллайдер раскрыл новые секреты кварк-глюонной плазмы

Самый мощный в мире ускоритель частиц, Большой адронный коллайдер, дал учёным лучшее на сегодняшний день представление о кварк-глюонной плазме — первичной материи, заполнившей Вселенную спустя мгновения после Большого взрыва. В первые доли секунды существования Вселенной космос был наполнен горячей и плотной первозданной «кашей», называемой кварк-глюонной плазмой. На почти 27-километровом (17 миль) кольцевом ускорителе частиц — Большом адронном коллайдере, расположенном глубоко под Французскими Альпами, — учёные ЦЕРНа воссоздали кварк-глюонную плазму, сталкивая атомные ядра железа на околосветовых скоростях. Этот проект называется ALICE (A Large Ion Collider Experiment — «Большой коллайдерный ионный эксперимент»).

Команда ALICE получила новую информацию о кварк-глюонной плазме (и, следовательно, об условиях в ранней Вселенной), когда обнаружила закономерность, общую для столкновений между протонами (частицами, находящимися в ядре атомов), столкновений между протонами и ядрами свинца, а также столкновений между самими ядрами свинца. Эта закономерность может раскрыть, как кварк-глюонная плазма образовалась сразу после Большого взрыва, указывая на то, что она могла образовываться при столкновениях более мелких частиц, чем считалось ранее.

Когда учёные впервые начали сталкивать протоны на БАК, существовала теория, что столкновения между протонами, а также между протонами и свинцом будут слишком незначительными, чтобы породить кварк-глюонную плазму. Однако заманчивые признаки этой первичной материи недавно были замечены как в этих малых столкновениях, так и в столкновениях ядер свинца. Одним из признаков кварк-глюонной плазмы и её образования является тот факт, что частицы испускаются не равномерно, а в предпочтительном направлении, которое учёные называют анизотропным потоком. На промежуточных скоростях анизотропный поток частиц зависит от количества кварков, из которых они состоят. Барионы — частицы, состоящие из трёх кварков, — демонстрируют более сильный поток, чем мезоны — частицы, состоящие из двух кварков. Учёные теоретизируют, что это связано с процессом, который соединяет кварки для образования более крупных частиц. У барионов больше кварков, и поэтому они получают больший поток.

В новом исследовании коллаборация ALICE объяснила, как она измерила анизотропный поток для различных мезонов и барионов, созданных при столкновениях протон-протон и протон-свинец. Изолируя частицы, текущие вместе, команда подтвердила, что, как и при тяжёлых столкновениях, эти более лёгкие столкновения порождают барионы с более сильным потоком и мезоны с более слабым потоком на промежуточных скоростях.

«Это первый случай, когда мы наблюдали в большом интервале импульсов и для нескольких типов частиц эту картину потока в подмножестве протонных столкновений, в которых рождается необычно большое количество частиц», — заявил в пресс-релизе Дэвид Добригкейт Чинеллато, координатор по физике эксперимента ALICE. «Наши результаты подтверждают гипотезу о том, что расширяющаяся система кварков присутствует даже тогда, когда размер системы столкновения мал».

Команда ALICE сравнила свои наблюдения за потоком с моделями образования кварк-глюонной плазмы и обнаружила, что картина потока хорошо соответствует моделям, учитывающим образование барионов и мезонов. Однако модели, которые не учитывают эту кварковую коалесценцию, не смогли воспроизвести наблюдаемую картину потока. Исследователи также обнаружили, что даже наилучшие модели не могут полностью объяснить наблюдаемый поток. Существуют некоторые сохраняющиеся расхождения — «шероховатости», которые, как считает команда, могли бы помочь сгладить столкновения между частицами размером между протонами и железом.

«Мы ожидаем, что столкновения с кислородом, зарегистрированные в 2025 году, которые заполняют пробел между протонными и свинцовыми столкновениями, дадут нам новое понимание природы и эволюции кварк-глюонной плазмы в различных системах столкновений», — заявил в пресс-релизе официальный представитель ALICE Кай Шведа. Тогда учёные приблизятся ещё на шаг к пониманию условий, существовавших на самом заре Вселенной. Статья об этом исследовании была опубликована 20 марта в журнале Nature Communications.

Открытие, сделанное коллаборацией ALICE, важно не только для физики высоких энергий, но и для нашего философского понимания того, откуда мы взялись. Кварк-глюонная плазма — это не просто экзотическая форма материи. Это «точка ноль» всего сущего. За миллиардные доли секунды после Большого взрыва Вселенная была настолько горячей и плотной, что даже протоны и нейтроны — строительные блоки атомных ядер — не могли существовать. Вместо них свободно носились кварки и глюоны, словно в космическом котле. И только когда эта плазма остыла, кварки начали объединяться в тройки и двойки, образуя барионы и мезоны, а те, в свою очередь, — атомы, звёзды, галактики и, в конечном счёте, нас с вами.

То, что анизотропный поток (это предпочтительное направление вылета частиц) наблюдается не только в тяжёлых столкновениях ядер свинца, но и в гораздо более «лёгких» протон-протонных взаимодействиях, — настоящая революция. До сих пор считалось, что для создания кварк-глюонной плазмы нужно гигантское количество энергии, которое выделяется только при столкновении массивных ионов. Оказалось, что это не так. Даже протоны, при определённых условиях (когда рождается аномально много частиц), способны на мгновение воссоздать то состояние, в котором пребывала Вселенная в первые мгновения своей жизни.

Почему это важно? Потому что это даёт учёным гораздо более дешёвый и доступный способ изучать раннюю Вселенную. Сталкивать протоны легче и можно делать это гораздо чаще, чем сталкивать ядра свинца, которые требуют больше энергии и ресурсов. Теперь, зная, что «сигнатура» плазмы проявляется и в протонных столкновениях, физики могут набрать гораздо больше статистических данных.

Однако расхождения между моделями и реальными наблюдениями, о которых говорят исследователи, — это и есть самое интересное. Модели, которые включают кварковую коалесценцию (то есть процесс «слипания» кварков в более крупные частицы), работают лучше, но всё равно не идеально. Это означает, что наше понимание того, как именно кварки объединяются в протоны и нейтроны, остаётся неполным. Возможно, существуют какие-то неизвестные силы или эффекты, которые вступают в игру при сверхвысоких энергиях и малых расстояниях. Это «окно в новую физику» — заветная мечта каждого экспериментатора.

Столкновения с кислородом, запланированные на 2025 год, обещают стать мостом между двумя мирами. Кислород — это ядро среднего размера, больше протона, но меньше свинца. Изучая, как кварк-глюонная плазма ведёт себя в системах разного размера, учёные надеются вывести универсальную теорию, которая опишет её поведение в любых условиях. Это как изучать жидкость: если вы знаете, как ведёт себя капля воды и как ведёт себя океан, вы можете вывести законы гидродинамики, которые работают для любых масштабов. Кварк-глюонная плазма — это «жидкость» ранней Вселенной, и физики только начинают понимать её «гидродинамику».

Кроме того, результаты ALICE имеют косвенное отношение к поискам тёмной материи и объяснению асимметрии материи и антиматерии во Вселенной. Почему после Большого взрыва осталось больше материи, чем антиматерии? Почему мы вообще существуем? Ответ может скрываться в тонких свойствах кварк-глюонной плазмы, в тех самых «шероховатостях», которые не объясняют существующие модели.

Следующие несколько лет работы БАК, особенно после его модернизации, обещают быть захватывающими. Учёные не просто подтверждают Стандартную модель — они ищут её пределы. И похоже, что кварк-глюонная плазма, эта «первозданная каша», может стать тем ключом, который откроет дверь в физику за пределами Стандартной модели. Мы стоим на пороге не просто подтверждения того, что мы знали, а открытия того, о чём даже не догадывались. И это, пожалуй, самое волнующее в современной фундаментальной науке.