Физики долгое время не могли понять, почему легкие атомные ядра не разрушаются под действием экстремально высоких температур, возникающих при столкновениях частиц. Новые исследования показали, что эти ядра формируются не в самом центре столкновения, а в более холодной области, что позволяет им выживать.

Экстремальные условия в Большом адронном коллайдере

Во время экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) создаются температуры, которые в сто тысяч раз превышают температуру в центре Солнца. Такие условия, казалось бы, должны разрушать связи внутри атомных ядер. Однако легкие ядра и их антиматериальные аналоги выходят из зоны столкновения невредимыми, что долгое время оставалось загадкой для ученых.

Открытие механизма формирования легких ядер

Коллаборация ALICE провела детальное исследование процессов, происходящих с легкими ядрами, используя экспериментальные данные. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature.

Ученые изучали дейтроны (ядра, состоящие из протона и нейтрона) и антидейтроны (антипротон и антинейтрон), которые образуются при высокоэнергетических столкновениях протонов на БАК. Анализ показал, что почти 90% дейтронов и антидейтронов формируются не непосредственно в момент столкновения, а в результате последующего ядерного синтеза из частиц, появившихся в ходе столкновения. Одна из частиц, участвующих в образовании дейтрона, возникает при распаде короткоживущей частицы.

Роль короткоживущих частиц

Исследователи измерили импульсы дейтронов и пионов — частиц, состоящих из кварк-антикварковой пары. Они обнаружили корреляцию между импульсами этих частиц, что указывает на их общее происхождение при распаде короткоживущей частицы — дельта-резонанса (Δ-резонанс). Эта частица распадается за триллионную долю триллионной доли секунды на пион и нуклон (протон или нейтрон). Затем нуклон может объединиться с другими нуклонами, формируя легкие ядра, такие как дейтрон.

Формирование ядер в более холодной среде

Ядерный синтез происходит на небольшом расстоянии от точки столкновения, в более холодной среде. Это значительно увеличивает шансы на выживание только что образовавшихся ядер. Такой механизм наблюдается как для частиц, так и для античастиц. Физики пришли к выводу, что один и тот же процесс управляет формированием дейтронов и антидейтронов.

Значение открытия для науки

По словам представителя эксперимента ALICE Марко ван Левена, эти результаты стали важной вехой в области исследований. Они восполняют пробел в понимании того, как ядра формируются из кварков и глюонов, и предоставляют ценный материал для развития новых теоретических моделей в физике.

Влияние на астрофизику и космологию

Открытие может иметь большое значение для астрофизики и космологии. Легкие ядра и антиядра образуются при взаимодействии космических лучей с межзвездной средой, а также могут возникать в процессах, связанных с темной материей. Новые экспериментальные данные ALICE дают прочную основу для моделирования формирования легких ядер в космосе. Это позволит ученым точнее интерпретировать данные о космическом излучении и искать следы темной материи.