Что общего у нашего дыхания и Большого Взрыва? Ответ ищут на БАК, где впервые в истории столкнули кислород
Казалось бы, чем ещё может удивить Большой адронный коллайдер? Протоны сталкивали миллионы раз, тайны бозона Хиггса понемногу приоткрываются, а учёные готовятся к новым апгрейдам. Но этим летом в ЦЕРНе решили отойти от привычного сценария. Впервые в истории 27-километрового кольца ускорителя вместо «лёгких» протонов в бой пошли тяжёлые ионы кислорода.
Это не просто очередная галочка в списке экспериментов. Это тщательно подготовленная кампания, полная технических вызовов и больших научных амбиций. Давайте разберёмся, зачем физикам понадобилось устраивать этот «кислородный шторм» и какие секреты Вселенной он может раскрыть.
Зачем вообще сталкивать кислород?
На первый взгляд, выбор кислорода — элемента, которым мы дышим, — кажется странным. Обычно для изучения экстремальных состояний материи, вроде кварк-глюонной плазмы, физики использовали самые тяжёлые из доступных ионов, например, свинца. Протоны же, будучи самыми лёгкими, служат этаким скальпелем для точечных измерений. Кислород находится где-то посередине. И в этом его прелесть.
Такие «промежуточные» по массе ионы позволяют учёным исследовать физические явления в совершенно новом режиме. Это как если бы вы всю жизнь изучали поведение воды в состояниях льда и пара, а теперь получили возможность детально рассмотреть, что происходит с ней при температуре +1 °C.
У этой кампании три ключевые цели:
- Заглянуть в «суп» Вселенной. Главный приз — изучение кварк-глюонной плазмы. Это экзотическое состояние материи, существовавшее в первые микросекунды после Большого взрыва, когда протоны и нейтроны ещё не сформировались, а их составляющие — кварки и глюоны — свободно плавали в раскалённом «бульоне». Столкновения тяжёлых ионов воссоздают эту плазму на мгновение. Кислород, будучи легче свинца, создаёт капли этой плазмы меньшего размера. Учёные хотят понять, каковы минимальные условия для её образования. Может ли она вообще возникнуть при столкновении таких относительно лёгких ионов? Ответ на этот вопрос уточнит наши модели ранней Вселенной.
- Воспроизвести космическую катастрофу в миниатюре. Каждый день в верхние слои атмосферы Земли врезаются частицы сверхвысоких энергий — космические лучи. Атмосфера, как мы знаем, богата кислородом и азотом. То, что происходит там, наверху, — это естественные столкновения протонов и ядер с ионами кислорода. Эксперимент на БАК, в частности работа детектора LHCf, позволяет в контролируемых лабораторных условиях смоделировать эти процессы. Это помогает астрофизикам лучше интерпретировать данные, которые они получают от космических телескопов, и понять, что именно происходит в далёких галактиках, где рождаются эти лучи.
- Проверить на прочность сильное взаимодействие. Это фундаментальная сила, которая «склеивает» кварки внутри протонов и нейтронов и не даёт атомным ядрам разлететься на части. Изучая столкновения разных по массе ядер (протон, кислород, неон, свинец), физики получают возможность увидеть, как эта сила проявляет себя в разных условиях, проверяя теории на прочность.
Не просто, как дважды два: технические фокусы нового эксперимента
Запустить пучки кислорода и столкнуть их с протонами — задача куда более хитрая, чем кажется. Это настоящий технический вызов, потребовавший от инженеров ЦЕРНа ювелирной работы.
Основная сложность кроется в простом физическом параметре: отношении заряда к массе. У протона и иона кислорода оно разное. Представьте, что вы пытаетесь на одном и том же гоночном треке одновременно управлять лёгким мотоциклом (протон) и гружёным грузовиком (ион кислорода) с помощью одинаковых магнитов, расставленных по краям. Очевидно, что на поворотах они будут вести себя совершенно по-разному. Чтобы заставить их столкнуться точно в центре детекторов, инженерам пришлось виртуозно настраивать параметры каждого пучка — их скорость, траекторию и частоту обращения в кольце.
Но и это ещё не всё. Возникла проблема, которой нет при работе с протонами, — «загрязнение пучка». При столкновениях ионов кислорода рождается множество вторичных частиц. Некоторые из них, по иронии судьбы, имеют такое же отношение заряда к массе, как и сам кислород. Они встраиваются в пучок, «загрязняя» его и создавая фоновый шум, который мешает анализировать чистые данные. Физики называют это эффектом трансмутации. Решение? Периодически «сбрасывать» весь пучок и заполнять коллайдер свежей, чистой порцией ионов.
От кислорода к неону и дальше
Эксперименты с кислородом — это только начало. Сразу после них коллайдер переключится на столкновения ионов неона. Это продолжение той же логики: шаг за шагом изучать, как меняется физика при переходе от одного типа материи к другому.
Эта серия экспериментов — прекрасный пример того, как устроена современная наука. Это не погоня за одной громкой сенсацией, а методичная, кропотливая работа по заполнению пробелов в нашем знании. Каждый новый тип частиц в ускорителе — это новый инструмент, новая призма, через которую можно взглянуть на законы природы под другим углом.
То, что происходит сейчас глубоко под землёй на границе Швейцарии и Франции, — это не просто физика частиц. Это космология, астрофизика и фундаментальные вопросы о строении материи, собранные в одном грандиозном эксперименте. И кто знает, возможно, именно этот «кислородный коктейль» принесёт учёным самые неожиданные и освежающие открытия.
