Ученые в ЦЕРН устроили очень маленький Большой взрыв, столкнув легкие ядра кислорода и неона. Это позволило доказать, что кварк-глюонную плазму можно получить из легких элементов, и определить форму ядер по траектории разлета частиц.
Физики из ЦЕРНа успешно воссоздали экстремальные условия первых мгновений жизни Вселенной, столкнув в ускорителе относительно легкие ядра кислорода и неона. Это открытие доказывает, что первозданную материю можно получить без использования сверхтяжелых элементов, и дает ученым принципиально новый инструмент для изучения внутренней геометрии атома.
Кварк-глюонная плазма считается самым ранним состоянием материи, заполнившим пространство в первую миллионную долю секунды после рождения Вселенной. В этот кратчайший миг фундаментальные строительные блоки природы еще не успели остыть и объединиться в протоны и нейтроны. Они представляли собой сверхгорячий «первозданный суп», законы поведения которого физики пытаются разгадать в экспериментах на Земле.
Долгие годы в научном сообществе доминировала гипотеза, что для получения такого состояния требуются столкновения исключительно тяжелых элементов. Исследователи в ЦЕРН регулярно разгоняли почти до скорости света атомы свинца. Однако команда из Института Нильса Бора в рамках международной коллаборации ALICE пошла другим путем и добилась успеха со значительно более легкими ядрами изотопов кислорода-16 и неона-20.
Ю Чжоу, доцент и руководитель эксперимента, отмечает, что команда намеренно искала предел массы атома. Ученым удалось сдвинуть границу того, насколько малым может быть ядро для запуска этого экстремального фазового перехода. По сути, физики научились запускать микроскопический мини-Большой взрыв с помощью легких газов.
Тень в форме кегли для боулинга
Геометрическая форма сталкивающихся атомных ядер напрямую определяет схему разлета частиц после образования плазмы. Кварк-глюонная капля существует лишь крошечную долю секунды, после чего стремительно расширяется и остывает. Ученые не могут зафиксировать саму плазму напрямую, но сверхточные детекторы улавливают ливень вторичных частиц, которые рождаются при ее распаде.
Анализ траекторий этих вторичных частиц раскрывает первоначальную форму атома. Столкновение двух ядер кислорода, которые имеют форму идеальной сферы, дает равномерный и округлый рисунок разлета. А вот ядра неона вытянуты и напоминают кегли для боулинга — и рисунок частиц после их столкновения повторяет эту вытянутую геометрию.
Эмиль Горм Дальбек Нильсен, соавтор исследования, сравнивает этот процесс с отбрасыванием тени. Если посветить фонариком на невидимый стеклянный объект, его тень на стене безошибочно выдаст контуры предмета. Точно так же движение частиц после удара выдает пространственную организацию протонов и нейтронов в первые мгновения столкновения.
Смена парадигмы в ядерной физике
Понимание точной структуры атомного ядра критически важно для изучения сильного взаимодействия — одной из четырех фундаментальных сил природы, удерживающей материю от распада. Исторически эта задача решалась методами низких энергий. Физики десятилетиями наблюдали за тем, как ядра вибрируют и вращаются, измеряя их свойства в спокойном состоянии.
Новый подход, предложенный исследователями ALICE, работает на экстремально высоких энергиях. Вместо аккуратного измерения вибраций, физики буквально разбивают ядра в пыль на околосветовых скоростях и считывают их форму по оставленному физическому отпечатку.
Авторы работы называют этот метод возможной сменой парадигмы. Эксперимент не только подтверждает существующие модели формы ядер кислорода и неона, но и открывает путь к изучению тех элементов, чья структура до сих пор остается загадкой для науки.
Точная граница массы ядра, необходимой для создания кварк-глюонной плазмы, пока не найдена. Следующим шагом коллаборации станут эксперименты с еще более легкими мишенями, такими как гелий-4. Изучение структуры атома и исследование механизмов рождения Вселенной оказались неразрывно связаны, и один эксперимент теперь способен дать ответы на вопросы из обеих областей физики.
Ключевые тезисы:
- Кварк-глюонную плазму можно создавать не только из тяжелого свинца, но и из легких ядер неона.
- Рисунок разлета частиц после столкновения работает как «тень», раскрывая геометрическую форму исходного ядра.
- Столкновения на сверхвысоких энергиях стали новым парадигмальным методом изучения сильного взаимодействия и структуры атома.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
FAQ: Часто задаваемые вопросы
Что такое кварк-глюонная плазма?
Это сверхгорячее состояние материи, которое существовало в первую миллионную долю секунды после Большого взрыва. В этой плазме кварки и глюоны свободно перемещаются, а не заперты внутри привычных протонов и нейтронов.
Зачем физики сталкивают ядра неона вместо свинца?
Раньше считалось, что плазму можно получить только при ударе тяжелых ядер, вроде свинца. Эксперименты с легким неоном помогают найти минимальный порог массы, при котором материя способна перейти в состояние первозданного «супа».
Как ученые узнали, что ядро неона похоже на кеглю?
Они изучили траектории разлета частиц после столкновения. Сферические ядра (кислород) дают круглый рисунок разлета, а вытянутые ядра (неон) направляют частицы так, что рисунок полностью повторяет их изначальную вытянутую форму.
Источник: I. J. Abualrob et al, Evidence of Nuclear Geometry-Driven Anisotropic Flow in O + O and Ne + Ne Collisions at √SNN = 5.36 TeV, Physical Review Letters (2026).
Читайте также: Ноль равен бесконечности: объединяем Большой взрыв и конец Вселенной в одной точке