Учёные-физики, задействованные в работе на Большом адронном коллайдере (БАК) при Европейской организации ядерных исследований (CERN), впервые зарегистрировали признаки рассеивания энергии посредством кварков и глюонов во время столкновений ядер кислорода. Этот эффект, известный как гашение струй, был зафиксирован в системе из ядер кислорода — наименьшей ядерной структуре, где удалось наблюдать подобное явление на текущий момент. Полученные данные позволяют исследователям лучше понять характеристики вещества, существовавшего в первые моменты после Большого взрыва.

Целью данного эксперимента не было воссоздание самого события Большого взрыва. Специалисты изучали состояние Вселенной через несколько микросекунд после её возникновения, когда температура была крайне высокой и протоны с нейтронами ещё не могли формироваться в привычной форме. В тот период материя представляла собой кварк-глюонную плазму — плотную среду, состоящую из кварков и глюонов, являющихся фундаментальными компонентами адронов.

Данная кварк-глюонная плазма существенно отличается от вещества, которое обычно называют плазмой в контексте исследований термоядерного синтеза. В обычной плазме атомы или ионы существуют вместе с электронами в виде заряженной смеси. Кварк-глюонная плазма представляет собой принципиально иной тип материи, где находятся составляющие адронов, взаимодействующие посредством сильного ядерного взаимодействия.

Предыдущие исследования показали, что приблизительно через миллионную долю секунды после Большого взрыва материя уже могла проявлять свойства не газа, а жидкости с исключительно низкой вязкостью. Для изучения этого состояния в лабораторных условиях физики сталкивают тяжёлые атомные ядра на высоких энергиях. Столкновение ядер свинца, содержащих 208 протонов и нейтронов, позволяет создавать небольшие области кварк-глюонной плазмы.

В процессе подобных взаимодействий возможно образование кварков или глюонов, характеризующихся чрезвычайно высоким уровнем энергии. Эти частицы получили название партонов. Как правило, они не достигают непосредственно детектора, поскольку, покидая кварк-глюонную плазму, партоны распадаются на большое количество обычных частиц, образуя узконаправленный поток, известный как струя.

Когда высокоэнергетический партон пересекает кварк-глюонную плазму, он вступает во взаимодействие с её компонентами и теряет часть своей энергии. Вследствие этого связанная с ним струя частиц демонстрирует ослабление. Данный эффект получил название потери энергии партонов или гашение струй.

Предыдущие исследования, основанные на столкновениях протонов, выявили коллективное движение образующихся частиц; однако прямые свидетельства потери энергии партонов установить не представлялось возможным. В связи с этим в июле прошлого года специалисты CERN инициировали цикл экспериментов со столкновениями ядер кислорода и неона для оценки возможности возникновения аналогичного эффекта в более компактных ядерных системах.

В рамках новой физической работы использовался детектор ALICE, являющийся одним из девяти ключевых детекторов Большого адронного коллайдера. Исследователи проводили анализ рождения нейтральных пионов – частиц, связанных с переносом сильного взаимодействия внутри атомных ядер. В столкновениях кислорода производство этих частиц оказалось сниженным в той же степени, что и ранее отмечалось при столкновениях ядер свинца.

Для выяснения причины наблюдаемого подавления, ученые провели сопоставление полученных результатов с данными о взаимодействиях кислорода и протонов, зафиксированными в ходе того же экспериментального цикла. Использование кислород-протонных столкновений в качестве эталона позволило провести сравнительный анализ. В результате исследования было установлено, что наблюдаемое подавление соответствует потере энергии партонами, что указывает на эффект гашения струй.

Столкновения кислорода оказались наименьшей ядерной системой, в которой удалось зафиксировать явные признаки данного эффекта. При этом исследователи отмечают, что это не является абсолютным ограничением: нельзя с уверенностью утверждать, что еще более малые системы не способны демонстрировать потерю энергии партонов. В частности, при столкновениях протонов прямой сигнал гашения струй пока не был выявлен.

Полученные данные имеют важное значение для понимания природы кварк-глюонной плазмы. Ранее существовало предположение, что при достижении определенной температуры и плотности кварки и глюоны высвобождаются из связанных состояний, и образующееся вещество будет вести себя как разреженный газ. Однако зафиксированное коллективное движение частиц указывает на другую картину.

Кварк-глюонная плазма проявляет свойства жидкости с крайне низкой вязкостью, близкой к теоретическому пределу. Теперь обнаружение потери энергии партонов в небольшой кислородной системе свидетельствует о том, что признаки такого коллективного поведения и взаимодействия могут сохраняться даже при создании объема плазмы значительно меньшего размера по сравнению со столкновениями тяжелых ядер.

Для анализа данного перехода полезным подспорьем может служить изучение коллективного движения частиц. В случаях, когда исследуемая система слишком мала для точного определения подавления струй, анализ траекторий частиц по-прежнему способен предоставить непрямые данные о взаимодействии партонов с окружающей средой. По мере накопления информации появится возможность отследить плавный переход от небольших систем к более крупным, в которых одновременно проявляются как коллективное течение, так и потеря энергии партонами.

Следовательно, исследования, проводимые с использованием кислорода, позволяют физикам изучать границу возникновения коллективного состояния кварков и глюонов, а также определить минимальный размер системы, способной сохранять характеристики кварк-глюонной плазмы. Это способствует более точному восстановлению физических условий, существовавших на самых ранних этапах развития Вселенной.

Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv.