Исследователи из Института Нильса Бора и коллаборации ALICE смогли воспроизвести тип материи, который существовал на ранних стадиях Вселенной. Для этого они столкнули ядра кислорода-16 и неона-20 со скоростями, близкими к скорости света.
Эта процедура привела к образованию кварк-глюонной плазмы, классифицируемой как самая примитивная форма материи космоса. Исследование также показало, что ядра значительно меньшие, чем свинец, способны производить это экстремальное состояние.
Столкновение происходит в ЦЕРНе, расположенном в Швейцарии. Когда эти ядра сталкиваются на скоростях, очень близких к скорости света, их составляющие образуют крошечную каплю этой кварк-глюонной плазмы. Эта капля существует до доли секунды, прежде чем расшириться.
Это состояние материи преобладало во Вселенной в течение ее первой миллионной доли секунды. В то время температура была настолько высокой, что протоны и нейтроны еще не сформировались; кварки и глюоны были свободными.
Расширение экспериментальной картины
Ранее подобные эксперименты в основном связаны со столкновениями, включающими очень тяжелые ядра, такие как свинцовые. Новая работа расширяет эту перспективу, демонстрируя, что возможно воспроизвести эту первичную материю — которую можно назвать Мини-Большим взрывом — используя атомные ядра меньшего размера.
Йоу Чжоу, доцент, руководивший экспериментом, отметил, что это открытие помогает определить условия, необходимые для достижения материей такого состояния.
Поскольку плазма распадается слишком быстро для прямого наблюдения, ученые анализируют остатки после удара. Частицы, высвобожденные при столкновении, несут в себе закономерность, отражающую конфигурацию ядра, которое инициировало процесс. В случае с кислородом паттерн более округлый, в то время как неон принимает форму, похожую на шар для боулинга.
Эмиль Горм Дальбэк Нильсен, научный сотрудник последокторантуры Института Нильса Бора и соавтор исследования, использовал аналогию для объяснения метода: это сравнимо с освещением объекта и наблюдением его тени. Точно так же движение частиц предоставляет информацию о невидимом ядре.
Изучение геометрии атомных ядер интересует физиков более семи десятилетий. Эта тема также является частью траектории Института Нильса Бора, поскольку работа Ааге Бора о ядерной структуре была фундаментальной для Нобелевской премии по физике, которую он получил в 1975 году.
Эта геометрия не ограничивается только формой; она указывает на то, как организуются протоны и нейтроны, и дает подсказки о сильном взаимодействии, одной из четырех фундаментальных сил природы.
Новый подход в ядерных исследованиях
Исследование представляет собой отличную методологию. Вместо того чтобы фокусироваться на ядрах только при низких энергиях, ученые используют экстремальные столкновения для выявления следов, оставленных конечными частицами.
Следующий запланированный тест будет включать еще меньшие ядра, такие как гелий-4. Исследователи стремятся определить максимальный предел уменьшения размера ядер, который все еще позволяет производить кварк-глюонную плазму.
Чжоу подчеркнул, что увлекательным аспектом является способность использовать один и тот же эксперимент для изучения как организации атомных ядер, так и для получения более глубокого понимания возникновения материи в начале Вселенной.
Таким образом, эксперимент устанавливает связь между двумя центральными вопросами физики: тем, как структурируются ядра, и тем, как возникла материя в ранней Вселенной.