Через 0,00000000001 секунды после Большого взрыва

Прошло всего три недели с начала работ по столкновению тяжелых ионов в Большом адронном коллайдере, и физики трех экспериментов (ALICE, CMS и ATLAS) уже получили первые данные о том, какой была материя в самые ранние мгновения существования Вселенной. Эксперимент ALICE (A Large Ion Collider Experiment), специально оптимизированный для изучения тяжелых ионов (сейчас сталкиваются пучки ионов свинца), уже опубликовал первые данные, свидетельствующие об образовании так называемой кварк-глюонной плазмы.

Это состояние, в котором находилась вся материя через примерно 0,00000000001 секунды после Большого взрыва.

В тот момент даже элементарные частицы – протоны и нейтроны – еще «не собрались» из составляющих их кварков и глюонов. Их температура и скорости движения были слишком высокими для формирования частиц, поэтому они составляли лишь смешанную «жидкость» – кварк-глюонную плазму. ALICE удалось наблюдать так называемый эллиптический поток, напрямую говорящий о возникновении кварк-глюонной плазмы.

Несколько дней назад коллаборации ATLAS и CMS сообщили об обнаружении еще одного эффекта, характерного для образования этого экстремального состояния вещества, – гашения адронных струй. Работа физиков ATLAS принята к публикации в журнале Physical Review Letters, а

в четверг в CERN состоится семинар, на котором будут доложены все последние результаты коллабораций.

«Поистине впечатляет то, как быстро эксперименты пришли к этим сложным физическим результатам. Коллаборации соревнуются друг с другом в быстроте публикаций материала, однако, конечно, работают вместе, чтобы создать полную картину изучаемых явлений и провести перекрестное сравнение результатов. Это прекрасный пример того, как работают конкуренция и сотрудничество – ключевые точки в этой области исследований», – отметил Серджио Бертолуччи, директор CERN по исследованиям, слова которого приводит пресс-служба организации.

Эксперименты БАК в основном изучают одни и те же явления, однако конструкции их принципиально различаются.

Это позволяет наблюдать происходящие при столкновении пучков частиц события разными методами, более четко регистрировать их и проверять, является ли наблюдение следствием возникновения некого эффекта или это лишь «шумы». Только при получении одних и тех же данных несколькими методами их считают достоверными.

Изучение кварк-глюонной плазмы – один из приоритетов работы БАК. Это поможет не только понять, как выглядела Вселенная сразу после рождения, но и изучить процесс формирования современной материи.

Кварк-глюонная плазма – максимально «распределенное» состояние вещества, где частицы – кварки и глюоны – не связаны так называемыми сильными взаимодействиями, которые сейчас поддерживают существование протонов, нейтронов и вообще всех ядер Периодической системы имени Менделеева, из которых состоит наш мир – живой и неживой.

Изучая кварк-глюонную плазму, ученые надеются лучше разобраться в природе сильного взаимодействия.

Как же создается это небывалое состояние в БАК? При столкновении ионов свинца – очень тяжелых частиц (они тяжелее протонов примерно в 200 раз) – в точке пересечения пучков концентрируется достаточно энергии, чтобы создать в очень маленьком объеме «микрокапельки» «первобытной» материи. Ее присутствие регистрируется по ряду особых сигналов, которые способна измерить аппаратура детекторов БАК.

В работе коллаборации ALICE говорится, что горячая кварк-глюонная плазма ведет себя, как жидкость с очень низкой вязкостью (идеально текучая среда). Эти данные согласуются с полученными ранее на коллайдере RHIC (The Relativistic Heavy Ion Collider, релятивистский коллайдер тяжелых ионов, Брукхейвенская национальная лаборатория, Нью-Йорк).

«Теперь, когда мы начали сталкивать тяжелые ядра, БАК стал настоящим «прибором Большого взрыва» – это звучит как фантастика. Наши наблюдении кварк-глюонной плазмы подтверждают данные коллег с RHIC, однако уже сейчас мы можем отметить дополнительные важные особенности», – отметил Юрген Шукрафт, руководитель коллаборации ALICE.

Эксперименты ATLAS и CMS эффективно наблюдали гашения струй, так как их системы позволяют очень эффективно «герметизировать» энергию и измерять ее выделение. Измеряют они, в частности, струи частиц, возникающие при столкновениях. Струи, возникающие при столкновениях протонов, чаще всего появляются парами.

Однако при столкновении тяжелых ионов струи взаимодействуют в жестких условиях горячей очень плотной среды.

В результате возникает очень характеристичный сигнал, известный как гашение струй, выражающийся в резком падении их энергии. Это значит, что при столкновении частиц в детекторе возникает среда, гораздо плотнее любой известной материи. Гашение струй – хороший параметр для детального изучения поведения плазмы.

Столкновение пучков свинца в БАК продолжится до 6 декабря. Затем коллайдер будет остановлен на несколько месяцев.

Большой адронный коллайдер – самый крупный и мощный в мире кольцевой ускоритель элементарных частиц. Он находится под землей в 27-километровом тоннеле на территории Швейцарии и Франции недалеко от Женевы в Европейском центре ядерных исследований (CERN). Активная фаза работы коллайдера началась в конце мая 2010 года. Четыре детектора гигантского прибора (CMS, ATLAS, ALICE и LHCb) занимаются изучением состояния вещества во Вселенной сразу после Большого взрыва, поисками бозона Хиггса – частицы, которая дает начало массе во Вселенной, а также поиском «новой физики» – явлений за пределами Стандартной модели, господствующей современной теории физики частиц.