Новости ЦЕРН: столкновения кислорода на LHC демонстрируют новые признаки существования экстремального состояния материи
Коллаборации ALICE, ATLAS, CMS и LHCb сообщили о признаках образования состояния материи - кварк-глюонной плазмы (КГП) в результате столкновений кислорода на LHC.
КГП — это состояние материи, которое образуется под сильным давлением и при температурах, в 100 000 раз превышающих температуру в центре Солнца. В этих экстремальных условиях составные частицы распадаются на кварки и глюоны, которые обычно удерживают их вместе. Ученые считают, что именно в таком состоянии находилась Вселенная в первые миллионные доли секунды после Большого взрыва. И в современной Вселенной, почти 14 миллиардов лет спустя, они могут воссоздать и изучить КГП с помощью высокоэнергетических ядерных столкновений на LHC.
Образование КГП. Иллюстрация: ЦЕРН
Ранее считалось, что столкновение тяжелых ионов (свинец) является единственным способом создания условий образования КГП. Недавно ALICE сообщила о новых признаках КГП в результате столкновений протонов и протонов со свинцом. Также проведены исследования КГП при столкновениях кислорода с кислородом, которые выявили образование КГП в столкновениях кислород-кислород и неон-неон.
Одним из ключей к пониманию образования КГП является то, что быстро движущиеся кварки и глюоны теряют энергию при прохождении через горячую плотную среду при потере энергии партонов. ATLAS однозначно наблюдал эффект потери энергии партонов из-за дисбаланса между парами струй частиц в указанных столкновениях, особеннл при более лобовых (центральных) столкновениях, где больший объем КГП приводит к большей потере энергии. Предварительные исследования ATLAS заряженных частиц, отдающихся от фотонов, также показывают ту же зависимость от центральности столкновения, что согласуется с потерей энергии отдающихся частиц при их прохождении через КГП.
CMS наблюдала подавление образования заряженных частиц при столкновениях кислород-кислород и неон-неон по сравнению со столкновениями протон-протон, что указывает на потерю энергии партонов и наличие КГП в столкновениях легких ионов. LHCb сравнил подавление частиц, состоящих из очарованного кварка и легкого кварка, в указанных столкновениях, обнаружив, что подавление становится более выраженным в столкновениях с более тяжелыми неонами. Это ожидаемая особенность потери энергии партонов и согласуется с образованием КГП большего объема по мере увеличения размера столкновения. ALICE сравнила образование нейтральных пионов в столкновениях кислорода с кислородом и протонов с кислородом, что однозначно указывает на потери энергии партонов в столкновениях кислорода с кислородом.
Образование КГП возможно через подавление кратковременно связанных состояний из тяжелого кварка и его антикварка, которые часто образуются при высокоэнергетических столкновениях. Кварки в этих парах могут быть связаны друг с другом в различной степени, и можно определить наличие КГП, измеряя, как она подавляет каждое из различно связанных состояний. CMS обнаружил свидетельства этого различного подавления для ипсилон-мезонов — связанных состояний нижнего кварка и его антикварка путем сравнения столкновений кислород-кислород и неон-неон. LHCb обнаружил предварительные свидетельства того же подавления, но с использованием столкновений протон-кислород и кислород-кислород. Также ALICE опубликовала предварительные результаты с еще одним признакрм наличия КГП - частицы, состоящие из трех кварков (барионов) в столкновениях кислород-кислород, испускаются с предпочтительным направлением (анизотропным течением) — сильнее, чем частицы, состоящие из двух кварков (мезонов). Основное объяснение этому — наличие КГП, которая заставляет частицы, образующиеся в столкновении и движущиеся с промежуточными импульсами, демонстрировать анизотропное течение. Тот факт, что барионы содержат на один кварк больше, чем мезоны, означает, что они наследуют большую часть этого потока.
Исследования продолжаются. Тем временем LHC преобразуется в LHC высокой светимости, который позволит еще глубже изучить природу КГП.