Физики обнаружили признаки кварк-глюонной плазмы в столкновениях ядер кислорода на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) в США. Результат показывает, насколько маленькой может быть система, способная породить состояние материи, существовавшее в первые мгновения после рождения Вселенной. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Поиск плазмы по «гашению» струй
Кварк-глюонная плазма возникает, когда атомные ядра разгоняют почти до скорости света и сталкивают друг с другом. При этом протоны и нейтроны как бы «плавятся», а кварки и глюоны получают возможность двигаться свободно. Образовавшаяся капля материи меньше атомного ядра и живёт чрезвычайно короткое время, поэтому напрямую её не наблюдают.
Вместо этого физики изучают частицы, вылетающие из точки столкновения. Один из главных признаков плазмы — гашение струй: узкие пучки энергичных частиц, проходя через плотную среду, теряют часть энергии. Чем длиннее их путь внутри плазмы, тем сильнее этот эффект.
Столкновения кислорода
Ядро кислорода состоит всего из 16 протонов и нейтронов и имеет почти сферическую форму. Это упрощает анализ столкновений. Исследователи изучили около 500 миллионов событий, зарегистрированных детектором STAR в 2021 году.
Учёные сравнили лобовые столкновения, при которых рождается больше частиц и вероятность появления плазмы выше, с ударами по касательной. В последнем случае возникновение кварк-глюонной плазмы считается менее вероятным. Затем программа подсчитала число узких пучков частиц, энергия которых превышала заданный порог.
В лобовых столкновениях кислорода таких частиц оказалось примерно на 20% меньше, чем при столкновениях ядер золота. По словам соавтора исследования Сыцзе Чжан, это ожидаемый результат: образующаяся при столкновении кислорода капля плазмы гораздо меньше.
Похожий эффект ранее наблюдали на Большом адронном коллайдере, однако энергия столкновений там была почти в 30 раз выше. Поэтому новый результат задаёт нижнюю границу условий, при которых может возникать первичное вещество.
Эта граница важна и для изучения столкновений отдельных протонов. В них физики также наблюдали согласованное движение частиц, похожее на поведение плазмы, но пока неясно, связано ли оно с настоящей кварк-глюонной плазмой или возникает по другому механизму. Сравнение разных систем поможет определить, какая плотность энергии необходима для освобождения кварков, и точнее восстановить переход от ранней Вселенной к привычному веществу.
