Тайна первых долей секунды: Большой адронный коллайдер помог ученым увидеть то, из чего состояла Вселенная до появления

Физики из коллаборации ALICE на Большом адронном коллайдере получили наиболее детальную на сегодняшний день картину кварк-глюонной плазмы — того самого первозданного вещества, которое заполняло космос в первые мгновения после Большого взрыва. Результаты масштабного исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Чтобы воссоздать экстремальные условия ранней Вселенной, ученые ЦЕРНа разгоняли ядра железа по 27-километровому кольцу ускорителя, спрятанному глубоко под Французскими Альпами, и сталкивали их на околосветовых скоростях. В ходе этих столкновений рождалась та самая «первичная материя», которая существовала, когда возраст мироздания исчислялся долями секунды.

Главная интрига нового исследования крылась в неожиданном открытии. Команда ALICE обнаружила общую закономерность в трех совершенно разных типах столкновений: между отдельными протонами, между протонами и тяжелыми ядрами свинца, а также между самими ядрами свинца. Эта универсальная картина указывает на то, что кварк-глюонная плазма способна возникать при гораздо более скромных по масштабу соударениях частиц, чем предполагалось ранее.

Ключевым индикатором появления плазмы служит так называемый анизотропный поток — явление, при котором рожденные частицы разлетаются не хаотично во все стороны, а демонстрируют явное предпочтение определенного направления. На промежуточных скоростях сила этого потока напрямую зависит от количества кварков, из которых состоит частица. Более массивные барионы, содержащие три кварка, демонстрируют значительно более выраженный поток, нежели легкие мезоны, состоящие всего из двух кварков.

По мнению исследователей, такая закономерность объясняется процессом коалесценции — своеобразной «сборки» кварков в более крупные структуры. Чем больше кварков объединяется, тем сильнее результирующий поток.

В своей новой работе коллаборация ALICE тщательно измерила анизотропный поток для целого спектра частиц, рождавшихся в столкновениях протон-протон и протон-свинец. Выделив те частицы, которые двигались синхронно, команда подтвердила: даже в легких столкновениях, как и в тяжелых, более крупные частицы приобретают более сильный поток, а более мелкие — более слабый на промежуточных импульсах.

Координатор физики эксперимента ALICE Дэвид Добригкейт Чинеллато заявил, что подобная картина потока впервые зафиксирована в столь широком диапазоне импульсов и для стольких типов частиц в тех протонных столкновениях, где образуется аномально большое количество вторичных частиц. Полученные данные, по его словам, убедительно подтверждают гипотезу о существовании расширяющейся кварковой системы даже при крайне малых размерах зоны соударения.

Сравнение с компьютерными моделями показало, что наблюдаемая картина потока прекрасно согласуется с теми симуляциями, которые учитывают механизм слияния кварков в более крупные частицы. Модели, игнорирующие этот процесс, оказались неспособны воспроизвести экспериментальные данные. Впрочем, даже самые совершенные симуляции не до конца объясняют все зафиксированные особенности — между теорией и практикой сохраняются определенные расхождения.

Устранить эти нестыковки, как надеются физики, помогут данные по столкновениям частиц промежуточной массы — между протоном и железом. Представитель эксперимента ALICE Кай Шведа сообщил, что столкновения с участием кислорода, записанные еще в 2025 году и заполняющие разрыв между протонными и свинцовыми соударениями, должны пролить новый свет на природу и эволюцию кварк-глюонной плазмы в различных системах столкновений.

Таким образом, ученые сделали очередной значительный шаг к пониманию тех фундаментальных условий, которые царили на самой заре существования нашей Вселенной, сообщает Space.com.