Учёные, работающие на Большом адронном коллайдере (БАК), получили самое детальное на сегодняшний день представление о кварк-глюонной плазме — экстремальном состоянии материи, которое существовало во Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва.

Рекордный взгляд в первые доли секунды Вселенной

В эксперименте ALICE (A Large Ion Collider Experiment) на БАК физики сталкивали ядра железа на околосветовых скоростях и воссоздавали кварк-глюонную плазму — горячую и сверхплотную «супу» из свободных кварков и глюонов, которая заполняла Вселенную в первые микросекунды её существования.

Главное открытие заключается в том, что характерный «поток» частиц, который раньше наблюдался только при столкновениях тяжёлых ядер (например, свинца), теперь уверенно зафиксирован и в гораздо более лёгких столкновениях — между протонами, а также между протонами и ядрами свинца.

«Это первый раз, когда мы наблюдаем этот характерный паттерн потока в широком диапазоне импульсов и для нескольких видов частиц в подмножестве протон-протонных столкновений, где рождается необычно большое количество частиц», — заявил физический координатор эксперимента ALICE Дэвид Добригкейт Чинеллато.

Что такое анизотропный поток

Одним из ключевых признаков образования кварк-глюонной плазмы является анизотропный поток — частицы вылетают из зоны столкновения не равномерно во все стороны, а преимущественно в определённых направлениях.

Учёные обнаружили, что при промежуточных скоростях сила этого потока зависит от того, сколько кварков входит в состав частицы:

  • Барионы (состоят из трёх кварков) демонстрируют более сильный поток;
  • Мезоны (состоят из двух кварков) — более слабый.

Этот эффект объясняется процессом коалесценции (слияния) кварков: чем больше кварков объединяется в одну частицу, тем сильнее она «подхватывает» коллективное движение плазмы.

Важный прорыв

Раньше считалось, что для возникновения кварк-глюонной плазмы требуются очень мощные столкновения тяжёлых ядер. Новые данные ALICE показывают, что даже в относительно «лёгких» протон-протонных и протон-свинцовых столкновениях, если в них рождается большое количество частиц, возникает система, ведущая себя как расширяющаяся кварк-глюонная плазма.

«Наши результаты подтверждают гипотезу о том, что расширяющаяся система кварков присутствует даже тогда, когда размер системы столкновения мал», — подчеркнул Чинеллато.

Модели, которые учитывают коалесценцию кварков, хорошо описывают наблюдаемый поток, в то время как модели, игнорирующие этот процесс, с задачей не справляются.

Что дальше

Несмотря на значительный прогресс, остаются небольшие расхождения между теорией и экспериментом. Учёные надеются, что их удастся устранить с помощью новых данных. В 2025 году на БАК уже были проведены столкновения ядер кислорода — промежуточного варианта между протонами и тяжёлыми ядрами свинца.

«Мы ожидаем, что с помощью кислородных столкновений, которые были записаны в 2025 году и которые заполняют пробел между протонными и свинцовыми столкновениями, мы получим новые insights в природу и эволюцию кварк-глюонной плазмы в разных системах столкновений», — заявил официальный представитель эксперимента ALICE Кай Шведа.

Вкратце

Большой адронный коллайдер в эксперименте ALICE впервые показал, что характерный коллективный поток частиц, свойственный кварк-глюонной плазме — состоянию материи сразу после Большого взрыва, возникает даже в относительно небольших столкновениях протонов и протонов с ядрами свинца. Это означает, что условия, близкие к ранней Вселенной, могут создаваться при меньших энергиях и размерах системы, чем считалось ранее. Новые данные значительно приближают учёных к пониманию физики первых мгновений после Большого взрыва. Исследование опубликовано 20 марта в журнале Nature Communications.