Столкновения ядер кислорода и неона помогли ученым глубже понять свойства кварк-глюонной плазмы и подтвердили асимметричную форму ядра неона.

Кварк-глюонная плазма: окно в раннюю Вселенную

Изучение столкновений атомных ядер позволяет физикам исследовать кварк-глюонную плазму (КГП) — особое состояние материи, существовавшее в первые микросекунды после Большого взрыва, до образования атомов. В этот период пространство было заполнено плотной и горячей плазмой из свободных частиц.

До недавнего времени эксперименты по изучению КГП на Большом адронном коллайдере (БАК) проводились с использованием тяжелых ионов, таких как ксенон или свинец. Это позволяло создавать максимально крупные капли плазмы. Летом впервые в истории на БАКе были проведены столкновения легких ядер — кислорода и неона. Для этого ученым пришлось изменить стандартную конфигурацию ускорителя, обычно заполненного пучками протонов.

Первые результаты экспериментов

В течение шести дней экспериментов ALICE, ATLAS, CMS и LHCb собрали новые данные, которые были представлены на конференции Initial Stages. Исследователи сосредоточились на измерении тонких закономерностей в углах и направлениях разлета частиц, возникающих при расширении и охлаждении капли КГП. Эти параметры отражают искажения в зоне столкновения ядер.

Гидродинамика и форма ядер

Паттерны поведения частиц напоминали потоки жидкости, поэтому ученые применили гидродинамические модели, аналогичные тем, что используются для описания обычных жидкостей. Это позволило более точно изучить свойства КГП и геометрию сталкивающихся ядер. Моделирование показало, что столкновения кислорода и неона дают более точные данные о потоках, чем столкновения протонов или тяжелых ионов.

Коллаборации ALICE, ATLAS и CMS зафиксировали значительное эллиптическое и треугольное течение в столкновениях кислорода и неона. Было обнаружено, что характер течения зависит от типа столкновения — скользящего или лобового. Совпадение теоретических расчетов с экспериментальными данными оказалось сопоставимо с результатами для тяжелых ионов, несмотря на меньший размер системы.

Геометрия ядра неона и новые открытия

Ученые считают, что параметры течения в столкновениях легких ядер определяются их геометрией. Результаты подтвердили вытянутую, напоминающую кеглю, форму ядра неона и показали, что гидродинамические потоки возникают в различных системах столкновений на БАКе.

Столкновения легких ионов открыли новый этап в изучении КГП. Ядра неона и кислорода не только меньше по размеру, чем свинца или ксенона, но и имеют менее правильную форму. Это позволяет получить важные данные о минимальном размере ядра, необходимом для образования КГП.

Дополнительные подтверждения и значение результатов

Особое внимание было уделено изучению формы ядра неона. Теоретически оно должно быть вытянутым, как кегля для боулинга. Новые эксперименты на БАКе уточнили эту картину. Коллаборация LHCb представила дополнительные результаты, подтверждающие форму ядра неона, полученные при столкновениях свинца с аргоном и неоном с использованием данных, записанных в 2024 году на установке SMOG.

«В совокупности эти результаты дают свежий взгляд на структуру ядра и на то, как материя появилась после Большого взрыва», — отметил директор CERN по исследованиям и вычислительной технике Йоахим Мних (Joachim Mnich).