Фізики відтворили стан матерії, який існував у перші миті Всесвіту

Фізики з Інституту Нільса Бора при Копенгагенському університеті відтворили в лабораторії стан матерії, який існував у Всесвіті приблизно в перші мільйонні частки секунди після Великого вибуху. Для цього дослідники зіштовхнули атомні ядра кисню-16 і неону-20, показавши, що кварк-глюонну плазму можна отримати за допомогою значно легших ядер, ніж вважалося раніше.

Експеримент провели в рамках міжнародної колаборації ALICE на Великому адронному колайдері CERN. Коли ядра, розігнані майже до швидкості світла, зіштовхуються, виникають екстремальні температури й густини, за яких протони та нейтрони розпадаються на кварки й глюони. Утворюється кварк-глюонна плазма — стан матерії, який, як вважається, заповнював Всесвіт на найраніших етапах його існування.

Досі вважалося, що для отримання такого стану потрібно зіштовхувати дуже важкі ядра, наприклад свинцю. Дослідники під керівництвом доцента Ю Чжоу показали, що подібний результат можливий і при зіткненнях значно легших ядер кисню-16 і неону-20.

Вчені встановили, що невеликі області кварк-глюонної плазми, які утворюються при зіткненнях, розширюються та розпадаються так само, як і плазма, отримана при зіткненні важких ядер. Це означає, що тепер для вивчення первинної матерії Всесвіту можна використовувати набагато ширший набір експериментальних систем.

Отриманий результат дає змогу досліджувати не лише ранній Всесвіт, а й структуру атомних ядер. Сама кварк-глюонна плазма існує надзвичайно короткий час, тож спостерігати її напряму неможливо — натомість фізики аналізують частинки, які виникають після її охолодження й розпаду. Виявилося, що розподіл і рух цих частинок зберігають інформацію про форму вихідних ядер: при зіткненні майже сферичних ядер кисню утворений малюнок був близьким до округлого, а у випадку витягнутого й асиметричного ядра неону розподіл частинок теж набував витягнутої форми.

Дослідники порівнюють цей ефект із тінню: сам об’єкт неможливо побачити безпосередньо, але його тінь дає змогу визначити форму. Так само траєкторії частинок після зіткнення дають змогу відновити геометрію атомного ядра. Новий метод дозволяє отримувати дані про структуру ядер за екстремально високих енергій, де ключову роль відіграє сильна взаємодія — одна з чотирьох фундаментальних сил природи. Наступним етапом може стати проведення експериментів із ще легшими ядрами, наприклад гелію‑4, щоб визначити мінімальний розмір ядер, за якого ще виникає кварк-глюонна плазма.