Коллайдер впервые столкнул ядра кислорода и неона для изучения материи после Большого взрыва

Этим летом Большой адронный коллайдер (БАК) получил новое дыхание. Обычно заполненный пучками протонов, 27-километровый кольцевой ускоритель был перенастроен для проведения первых в истории столкновений ядер кислорода с кислородом и неона с неоном. Первые результаты новых данных, записанных в течение шести дней экспериментами ALICE, ATLAS, CMS и LHCb, были представлены на конференции Initial Stages, проходившей в Тайбэе (Тайвань) 7–12 сентября.

Столкновение атомных ядер позволяет физикам изучать кварк-глюонную плазму (КГП) — экстремальное состояние материи, которое имитирует условия Вселенной в первые микросекунды после Большого взрыва, до образования атомов. До сих пор исследование этого горячего и плотного состояния свободных частиц на БАК опиралось на столкновения тяжелых ионов (таких как свинец или ксенон), которые максимизируют размер создаваемой капли плазмы.

Столкновения более легких ионов, таких как кислород, открывают новое окно в изучение КГП для лучшего понимания ее характеристик и эволюции. Они не только меньше свинца или ксенона, что позволяет лучше исследовать минимальный размер ядер, необходимый для создания КГП, но и имеют менее правильную форму. Например, ядро неона, как предсказывается, имеет вытянутую форму, похожую на кеглю для боулинга — картина, которая теперь стала четче благодаря новым результатам БАК.

Эксперименты были сосредоточены на измерениях тонких закономерностей в углах и направлениях разлета частиц по мере расширения и охлаждения капли КГП, которые вызваны небольшими искажениями в исходной зоне столкновения.

Примечательно, что эти «флуктуационные» паттерны можно описать с помощью тех же расчетов гидродинамики, которые используются для моделирования обычных жидкостей, что позволяет исследователям изучать как свойства КГП, так и геометрию сталкивающихся ядер. Точные предсказания моделей обеспечивают более точное исследование течения в столкновениях кислород–кислород и неон–неон по сравнению со столкновениями протон–протон и протон–свинец.

Эксперимент ALICE, специализирующийся на изучении КГП, а также многоцелевые эксперименты ATLAS и CMS измерили значительную эллиптическую и треугольную флуктуацию в столкновениях кислород–кислород и неон–неон и обнаружили, что они сильно зависят от того, являются ли столкновения скользящими или лобовыми. Уровень согласия между теорией и данными сравним с результатами, полученными для столкновений более тяжелых ионов ксенона и свинца, несмотря на значительно меньший размер системы.

Это предоставляет веские доказательства того, что течение в столкновениях кислород–кислород и неон–неон управляется ядерной геометрией, подтверждая структуру ядра неона в форме кегли и демонстрируя, что гидродинамическое течение надежно возникает в различных системах столкновений на БАК.

Дополнительные результаты, представленные на прошлой неделе коллаборацией LHCb, подтверждают форму кегли ядра неона. Результаты основаны на столкновениях свинец–аргон и свинец–неон в конфигурации фиксированной мишени с использованием данных, записанных в 2024 году с помощью аппарата SMOG. Коллаборация LHCb также начала анализировать данные столкновений кислород–кислород и неон–неон.

«Вместе эти результаты открывают свежие перспективы в понимании ядерной структуры и того, как материя возникла после Большого взрыва», — говорит директор CERN по исследованиям и вычислительным технологиям Йоахим Мних.

Источник: CERN