Ученые-физики не могли объяснить, почему экстремальные температуры не разрушают легкие ядра. Выяснилось, что они формируются не в центральной области столкновения.
В процессе взаимодействия частиц в Большом адронном коллайдере (БАК) формируются температуры, во сто тысяч раз выше, чем в ядре Солнца. Эти значения настолько велики, что способны разрушать связи внутри ядер атомов.
Несмотря на это, легкие атомные ядра и их аналоги из антиматерии покидают зону столкновения неразрушенными. Механизм этого явления до сих пор остается неясным для физиков. Коллаборация ALICE составила описание происходящих с легкими ядрами процессов на основе экспериментальных данных. Результаты научной работы опубликованы в журнале Nature.
Исследователи ALICE изучали дейтроны (связанные протон и нейтрон, ядро атома дейтерия) и антидейтроны (антипротон и антинейтрон), родившиеся во время высокоэнергетических столкновений протонов на БАК. Они обнаружили свидетельства того, что почти 90 процентов дейтронов и антидейтронов образовались не напрямую в столкновениях, а в результате последующего ядерного синтеза из частиц, рожденных в столкновении. Одна из образующих дейтрон частиц появлялась при распаде короткоживущей частицы.
В ходе совместной работы исследователи зафиксировали импульсы дейтронов и пионов — частиц, структура которых основана на кварк-антикварковой паре. Полученные данные выявили взаимосвязь между импульсами пионов и дейтронов, что свидетельствует о том, что пион и один из компонентов дейтрона (протон или нейтрон) образовались в результате распада нестабильной частицы.
Эта нестабильная частица, дельта-резонанс (Δ-резонанс), распадается приблизительно за одну триллионную долю секунды на пион и нуклон (либо протон, либо нейтрон). После этого нуклон может слиться с другими соседними нуклонами с образованием легких ядер, таких как дейтрон.
Ядерный синтез протекает на относительно небольшом удалении от места столкновения, в условиях более низкой температуры, что значительно повышает вероятность сохранения свежеобразованных ядер. Подобные результаты были зафиксированы как для частиц, так и для античастиц. На основании этого наблюдения физики пришли к заключению, что одним и тем же процессом определяется образование дейтронов и антидейтронов.
«Полученные данные знаменуют собой значительный прогресс в нашей области исследований. Они позволяют восполнить существующие лакуны в понимании процесса формирования ядер из кварков и глюонов, и предоставляют ценные данные для разработки новых теоретических моделей в физике», — сообщил Марко ван Левен ( Marco van Leeuwen), представитель эксперимента ALICE.
Исследования, проведенные учеными, могут оказать значительное влияние на астрофизику и космологию. Обнаружены легкие ядра и их античастицы образуются при взаимодействиях космических лучей с межзвездной средой, а также могут создаваться в процессах с участием темной материи.
Новые данные эксперимента ALICE дают экспериментальную основу для моделирования формирования легких ядер в космосе. Создавая детальные модели, физики могут лучше интерпретировать и анализировать данные о космическом излучении и искать темную материю.