Физики из Института Нильса Бора, связанного с Копенгагенским университетом, провели лабораторное воспроизведение состояния вещества, характерного для ранней Вселенной – существовавшей в первые миллионные доли секунды после Большого взрыва. Для достижения этой цели исследователи организовали столкновения атомных ядер кислорода-16 и неона-20, продемонстрировав возможность создания кварк-глюонной плазмы с использованием более лёгких ядер, чем предполагалось ранее.

Исследование было осуществлено в рамках международной коллаборации ALICE на Большом адронном коллайдере CERN. В процессе столкновения ядер, разогнанных почти до скорости света, возникают чрезвычайно высокие температуры и плотности, приводящие к распаду протонов и нейтронов на кварки и глюоны. Это приводит к образованию кварк-глюонной плазмы – состояния материи, которое, как полагают, существовало во Вселенной в самые первые моменты её развития.

Ранее было принято считать, что для достижения подобного состояния необходимы столкновения очень тяжёлых ядер, например свинца. Однако исследователи под руководством доцента Ю Чжоу доказали, что аналогичный эффект может быть получен при взаимодействии значительно более лёгких ядер кислорода-16 и неона-20.

Учёные зафиксировали, что образовавшиеся в результате столкновений небольшие области кварк-глюонной плазмы расширяются и разрушаются по схеме, аналогичной той, что наблюдается при взаимодействии тяжёлых ядер. Это открывает возможность для изучения первичной материи Вселенной с использованием более разнообразного набора экспериментальных условий.

Достигнутые результаты открывают возможность изучения не только ранней Вселенной, но и внутреннего устройства атомных ядер. Кварк-глюонная плазма характеризуется крайне малым временем существования, что делает её непосредственное наблюдение принципиально невозможным. В связи с этим ученые проводят анализ частиц, образующихся в процессе охлаждения и последующего распада этой плазмы.

В ходе исследований было установлено, что распределение и траектории движения этих частиц содержат информацию о форме исходных ядер. При взаимодействии ядер кислорода, имеющих приблизительно сферическую форму, формировался рисунок, близкий к округлому. В случае неона, чье ядро обладает вытянутой и асимметричной структурой, наблюдаемое распределение частиц также приобрело вытянутую конфигурацию.

Предлагаемый подход сопоставим с анализом тени: сам объект остается невидимым, однако его тень предоставляет информацию о его форме. Аналогичным образом, траектории частиц, образующиеся в результате столкновения, позволяют реконструировать геометрию атомного ядра.

Изучение формы ядер обычно осуществляется при относительно низких энергиях, когда физики исследуют их вращательные и колебательные движения. Разработанный метод предоставляет возможность получения данных о структуре ядер при экстремально высоких уровнях энергии, где доминирует сильное взаимодействие — одна из четырех фундаментальных сил природы.

По мнению ученых, предложенная методика способна предоставить принципиально новый метод исследования ядер, внутреннее строение которых остается недостаточно понятным. Вместо изучения их характеристик при низких энергетических уровнях, физики смогут проводить столкновения ядер на релятивистских скоростях и выявлять их форму, анализируя особенности образующихся частиц.

В дальнейшем планируется проведение экспериментов с ядрами меньшей массы, такими как гелий-4. Это позволит установить предел минимального размера сталкивающихся ядер, необходимых для формирования кварк-глюонной плазмы. Определение подобного порога внесет ясность в модели квантовой хромодинамики и поможет более точно воспроизвести условия, существовавшие во Вселенной приблизительно через миллионную долю секунды после Большого взрыва.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.