Ученые продолжают эксперименты с кварк-глюонной плазмой, состоящей из кварков, фундаментальных частиц, входящих в состав протонов и нейтронов. На этой неделе физикам удалось провести на коллайдере по‑настоящему выдающийся эксперимент.
Кварк-глюонная плазма: физики исследуют фундаментальные частицы

В пригороде Женевы, Швейцария, за цветущими лугами скрывается склад с лифтом, который едет только вниз. На глубине сотен метров, внутри восьмиугольной полой трубы, напоминающей большой сарай, располагаются гиперкомпксные детекторы, фиксирующие столкновения протонов. Ученые, задействованные в эксперименте на БАКе, решили получить странное вещество, которое скорее всего наполняло новорожденную Вселенную спустя мгновение после Большого Взрыва. Так называемая кварк-глюонная плазма создавалась в лабораторных условиях и до этого, путем столкновения сравнительно крупных атомов свинца. На этот раз исследователи решили столкнуть между собой ничтожно малые протоны, и то далеко не все.

Важность результатов исследования, опубликованного на днях в журнале Nature Physics, станет ясна обывателю далеко не сразу. В основном использование протонов позволит обеспечить более точный способ анализа кварк-глюонной плазмы. По словам исследователя Ливио Бьянки, протон-протонные столкновения позволят избежать получения большого количества ненужных, хаотических данных, на анализ которых уйдет слишком много времени. Открытие также позволит физикам изучить механизм столкновения протонов и, возможно, в будущем благодаря этому открыть другие, пока неизвестные науке частицы, как в свое время это произошло с бозоном Хиггса.

Все протоны и нейтроны состоят из двух сортов кварков, элементарных частиц, но помимо них существуют еще четыре сорта (или «аромата»), и в результате совокупности всех шести разновидностей этих частиц и получаются огромное разнообразие более крупных частиц. Клееподобные частицы, глюоны, удерживают кварки вместе, обычно парами или тройками, а потому одиночный кварк найти практически невозможно, поскольку сила притяжения между ними с расстоянием растет, а не ослабевает. Тем не менее, стоит подать на них энергию, и кварки превращаются в «горячий суп», где все они плотно связаны как идеальная жидкость. Это и есть кварк-глюонная плазма, которая так интересует ученых.

так выглядит здание, в котором располагается спуск к ALICE так выглядит здание, в котором располагается спуск к ALICE

Ученые, работающие на коллайдере, знали о существовании этого квантового супа из опытов по высокоэнергетическим столкновениям атомов золота или свинца, которые производились на коллайдере США RHIC и LHC. Но чтобы на самом деле объявить об открытии этого вещества, им нужно было добыть несколько вещей. В частности, им был необходим разогретый до триллиона градусов шар жидкой плазмы, поскольку при таких условиях свойство кварков, известное как «strangeness enhancement», позволяет разделить потоки частиц на синглеты, то есть на выходе ученые получили бы единичные кварки. Но как осуществить подобную операцию?

Исследователи CERN достигли вышеупомянутого состояния, сравнив выход экзотических каонов и лямбда-частиц (каждая из которых содержит один из видов кварков, «странный» кварк), частицы кси (которая содержит два таких кварка) и частицы омега (которая содержит три) в результате протонных столкновений. Соответственно, чем больше странных кварков, тем больше выход. Во время столкновения протонов образуются частицы разного размера, и больше частиц на выходе означало бы и повышенную долю странных кварков в них.

Детектор ALICE, разработанный специально для определения подобных микроскопических операций, отлично справляется со своей задаче благодаря сложному массиву детекторов, размещенных под защитной оболочкой. Подобная работа может показаться весьма спекулятивной, и это так: ученые не утверждают, что в результате протон-протонных столкновений они уже обнаружили кварк-глюонную плазму. Несмотря на это, ALICE и другие детекторы CERN CMS и ATLAS объединяют сотни физиков, которые ищут аналогичные результаты. На этой неделе эксперимент со столкновением протонов был проведен лишь на половину той мощности, на которую способен LHC. БАК наконец вернулся в работу после многомесячных технических работ, а значит эксперимент будет продолжаться и изучение элементарных частиц возобновится в ближайшее время.