«Капли» Большого взрыва? Найдено прямое доказательство капель кварк-глюонной плазмы

Знаете, что творится внутри ядерных реакторов и ускорителей? Там, где элементарные частицы сталкиваются на огромных скоростях, происходят не только сложные, но и довольно загадочные явления. Недавно ученые из Релятивистского коллайдера тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвене, США, представили новые доказательства существования удивительной субстанции — кварк-глюонной плазмы (КГП), но не в «обычных» условиях, а в самых неожиданных — в результате столкновения маленьких ядер с большими. Заинтригованы? Позвольте объяснить.

В погоне за первозданной материей

Кварк-глюонная плазма — это не просто еще одно экзотическое состояние материи. Ученые считают, что именно она наполняла Вселенную в первые мгновения после Большого взрыва. Это состояние, в котором протоны и нейтроны, составляющие ядра атомов, как бы «расплавлены», а кварки и глюоны — их фундаментальные строительные блоки — свободно «плавают», не будучи связанными вместе. Представьте себе — мир, где нет привычных нам протонов и нейтронов, а есть только их «запчасти».

Обычно, КГП возникает при столкновении тяжелых ионов, например, золота. Но вот вопрос: а может ли она возникнуть, если сталкивать маленькое ядро с большим? Долгое время считалось, что энергии маленького ядра недостаточно, чтобы расплавить ядро побольше. Однако данные, полученные на RHIC, упорно намекали: даже при столкновениях малых ядер с большими могут образовываться крошечные капельки КГП. И как же ученые это доказали?

Сигналы из «плазменного супа»

Проверить наличие КГП в столкновениях можно, наблюдая за так называемым подавлением струй. Представьте себе: внутри столкнувшихся ядер «выбиваются» кварки и глюоны, которые тут же разлетаются в разные стороны, образуя потоки других частиц — струи. Если плазмы нет, то эти струи летят свободно, достигая детекторов. Но если на пути у них появляется КГП, они начинают взаимодействовать с плазмой, теряя энергию. Это и есть подавление струй.

Обычно, в столкновениях золота с золотом это подавление заметно очень хорошо. Но вот, что интересно: в столкновениях, например, дейтрона (ядра водорода-2) с золотом, картина сначала была странной. В центральных столкновениях подавление струй вроде как и наблюдалось, но в периферийных — наоборот, струй становилось больше. Возникало полное непонимание, пока ученые не применили новый подход.

Прямые фотоны как детектор центральности столкновений

Дело в том, что раньше центральность столкновения, т. е. то, насколько точно ядра ударились друг о друга, определяли косвенно. Но ведь при столкновениях помимо струй кварков и глюонов также рождаются фотоны — частицы света. И вот в чем их фокус: они не взаимодействуют с КГП и свободно вылетают из места столкновения. Если подсчитать их число, то можно понять, сколько энергии было выделено при столкновении, и, следовательно, как много струй должно было бы возникнуть.

Сравнение количества вылетевших фотонов с количеством обнаруженных струй позволило наконец-то увидеть настоящую картину: в центральных столкновениях, где энергии выделяется много, струи действительно подавляются. Это значит, что даже при столкновениях маленьких и больших ядер возникает КГП — пусть и крошечная, но настоящая.

Новое окно в мир фундаментальных взаимодействий

Зачем все это нужно? Во-первых, изучение КГП позволяет нам лучше понять, как устроена Вселенная на самом фундаментальном уровне. А во-вторых, даже микроскопические капельки этой плазмы, образующиеся в экспериментах на RHIC, открывают окно в мир, где привычные нам законы физики могут работать немного иначе. Изучение этих процессов может привести к новым открытиям в физике частиц и ядра.

Результаты этих исследований — это не просто научные данные, это — приглашение в мир, где царит квантовая механика и где на микроскопическом уровне разворачиваются события, имеющие глобальное значение. И хотя до полного понимания КГП еще далеко, каждая новая «капелька» информации приближает нас к разгадке тайн материи и Вселенной.