Учёные CERN создали «маленький Большой взрыв» из ядер кислорода и неона

Физики Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) приблизились к пониманию того, в каком состоянии находилась материя сразу после Большого взрыва. Международная команда исследователей впервые получила признаки кварк-глюонной плазмы (QGP) в столкновениях ядер кислорода-16 и неона-20.

Это важный результат для изучения ранней Вселенной: ещё несколько десятилетий назад считалось, что для воспроизведения такого экстремального состояния материи необходимы столкновения тяжёлых атомных ядер.

Материя до появления привычных частиц

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой чрезвычайно горячую и плотную среду. Примерно через миллионную долю секунды после её возникновения материя находилась в состоянии, которое физики называют кварк-глюонной плазмой.

Кварки являются фундаментальными составляющими протонов и нейтронов, а те, в свою очередь, формируют атомные ядра и лежат в основе всей привычной нам материи. Глюоны выполняют роль частиц, связывающих кварки между собой.

Однако в самые первые микросекунды после рождения Вселенной кварки и глюоны ещё не были заключены внутри протонов и нейтронов. Они существовали в виде чрезвычайно горячей плазмы.

По мере расширения Вселенной температура снижалась. Кварки начали объединяться, формируя более крупные частицы, из которых впоследствии возникла материя в известном нам виде.

Насколько маленьким может быть «Большой взрыв»

Современные ускорители частиц позволяют воссоздавать кварк-глюонную плазму искусственно. Для этого атомные ядра разгоняют почти до скорости света и сталкивают между собой.

До сих пор для таких экспериментов преимущественно использовались тяжёлые ядра, в том числе свинец. Теперь исследователи CERN показали, что подобное экстремальное состояние может возникать и в гораздо меньших столкновениях.

В эксперименте были использованы кислород-16 и неон-20. Масса обоих элементов составляет менее одной десятой массы атома свинца. Ранее свинец считался одним из самых лёгких элементов, столкновения с которым позволяли получать условия, необходимые для образования кварк-глюонной плазмы.

Результаты международной команды опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Исследователи обнаружили, что столкновения небольших ядер дали сигналы, соответствующие ожидаемому поведению кварк-глюонной плазмы. На чрезвычайно короткий промежуток времени образовавшаяся материя начала расширяться коллективно — подобно жидкости. Затем она остыла и снова перешла в состояние отдельных частиц.

Именно такое коллективное движение представляет особый интерес для физиков. Оно указывает, что даже очень небольшая система, возникшая после столкновения атомных ядер, способна вести себя как своеобразная капля жидкости.

Новый предел для экспериментов

По словам соавтора исследования, исследователя Института Нильса Бора в Нидерландах Ю Чжоу, эксперимент позволил ещё дальше уменьшить масштаб столкновений, при которых можно воспроизвести материю, существовавшую на заре Вселенной.

Учёные фактически проверили, насколько маленьким может быть атомное ядро, чтобы после столкновения всё ещё возникало состояние с характеристиками кварк-глюонной плазмы.

Этот результат позволяет точнее определить фундаментальные условия, при которых обычная материя способна перейти в столь экстремальное состояние.

Прямого природного источника кварк-глюонной плазмы сегодня уже не существует: условия первых мгновений Вселенной давно исчезли. Поэтому физикам приходится создавать их искусственно в ускорителях частиц.

Теперь для этого, как показал эксперимент CERN, необязательно использовать исключительно тяжёлые ядра. Столкновения кислорода-16 и неона-20 открывают возможность исследовать границы этого необычного состояния материи и лучше понять, как в первые мгновения после Большого взрыва кварк-глюонная плазма расширялась, охлаждалась и в конечном счёте превратилась в частицы, из которых сформировалась окружающая нас Вселенная.