Новое понимание фазового перехода в квантовой хромодинамике
Строительные блоки материи в нашей вселенной были сформированы в первые 10 микросекунд ее существования, согласно принятой в настоящее время научной картине. После Большого Взрыва около 13,7 миллиардов лет назад вещество состояло в основном из кварков и глюонов, двух типов элементарных частиц, взаимодействие которых регулируется квантовой хромодинамикой (КХД), теорией сильного взаимодействия. В ранней Вселенной эти частицы почти свободно перемещались в кварк-глюонной плазме. Затем в фазовом переходе они объединились и образовали адроны, в том числе строительные блоки атомных ядер, протонов и нейтронов.
В текущем выпуске журнала «Nature» международная команда ученых представила анализ серии экспериментов на крупных ускорителях частиц, которые проливают свет на природу этого перехода. Ученые с высокой точностью определили температуру перехода и получили новое представление о механизме охлаждения и замораживания кварк-глюонной плазмы в текущие составляющие вещества, такие как протоны, нейтроны и атомные ядра.
Рекордные эксперименты с высокой энергией с детектором ALICE на Большом адронном коллайдере (БАК) в исследовательском центре ЦЕРН произвели вещество, в котором частицы и античастицы сосуществовали в равных количествах, аналогично условиям ранней Вселенной. Команда подтвердила путем анализа экспериментальных данных, что фазовый переход между кварк-глюонной плазмой и адронным веществом происходит при температуре 156 МэВ, что в 120 000 раз выше, чем в недрах Солнца.
«Наши исследования выявили ряд удивительных открытий. Одно из них заключается в том, что легкие ядра и их античастицы образуются при той же температуре, что и протоны и антипротоны, хотя их энергии связи примерно в 100 раз меньше энергии, соответствующей температуре перехода», — говорят исследователи.
Ученые предполагают, что такие «слабо связанные объекты» формируются при высокой температуре сначала в виде компактных многокварковых объектов, которые только позже развиваются в наблюдаемые легкие ядра и антиядра. Существование таких многокварковых состояний было предложено давно, но убедительных доказательств до сих пор не было найдено.
В эксперименте ALICE ученые из 41 страны исследовали состояние Вселенной в течение нескольких микросекунд после Большого Взрыва, наблюдая столкновения между ядрами свинца. При таких столкновениях образуются самые высокие за всю историю человечества плотности энергии. Они приводят к образованию материи (кварков и глюонов), как она существовала в то время в ранней Вселенной.
При каждом лобовом столкновении образовывались более 30 000 частиц (адронов), которые затем обнаруживались в эксперименте ALICE. В настоящем исследовании также использовались данные экспериментов на ускорителях более низких энергий, Сверхпротонном синхротроне в ЦЕРНе и релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Национальной лаборатории США — Брукхейвен на Лонг-Айленде, в Нью-Йорке.
Anton Andronic et al, Decoding the phase structure of QCD via particle production at high energy, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0491-6