Большой адронный коллайдер (БАК) – самый мощный в мире ускоритель частиц, расположенный на границе Швейцарии и Франции. Он используется для изучения фундаментальных свойств материи и сил, управляющих ею. БАК может создавать столкновения протонов с энергией до 13 тэВ (тераэлектронвольт), что соответствует условиям, существовавшим во Вселенной вскоре после Большого взрыва.
Однако раз в год БАК переключается с протонов на более тяжелые частицы – ионы свинца. Когда БАК сталкивает эти ионы друг с другом, ученые могут – если все сделано правильно – увидеть каплю Вселенной, подобной той, которая перестала существовать через несколько миллионных долей секунды после Большого взрыва. Это история о плазме из кварков и глюонов.
Возьмите атом, любой атом. Отделите от него облака вращающихся электронов и обнаружите его ядро. Затем разрежьте ядро на его основные составляющие – протоны и нейтроны. Когда физики впервые расщепили атомное ядро в начале 20-го века, это было все, что они смогли сделать. Протоны, нейтроны и электроны составляли всю массу Вселенной – ну, эти частицы плюс немного короткоживущих заряженных частиц, таких как мюоны. Но расчеты, примитивные ускорители частиц и космические лучи, бьющие по атмосфере Земли, начали выявлять дополнительный зверинец экзотических частиц: каоны, пионы, гипероны и другие, которые звучат так, будто они дают пришельцам психические способности. Казалось довольно неуклюжим со стороны Вселенной представить так много базовых ингредиентов. Физики вскоре поняли, что некоторые из этих частиц не были элементарными вовсе, а комбинациями еще более мелких частиц, которые они назвали словом, частично вдохновленным «Финнеганами» Джеймса Джойса: кварками. Кварки бывают шести разных «вкусов», но подавляющее большинство наблюдаемой Вселенной состоит всего из двух: верхних кварков и нижних кварков. Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка; нейтрон – из двух нижних и одного верхнего. (Остальные четыре по возрастанию тяжести и неуловимости: странные кварки, очаровательные кварки, прекрасные кварки и топ-кварки.)
На этом список ингредиентов заканчивается. Вы не можете обычно разрубить протон или нейтрон на кварки в нашем мире; в большинстве случаев кварки не могут существовать сами по себе. Но к 1970-м годам физики придумали обходной путь: нагревание. В точке, которую ученые называют температурой Хагедорна, эти субатомные частицы превращаются в высокоэнергетический суп из кварков и еще более мелких частиц, которые склеивают их вместе: глюонов.
Этот суп называется плазмой из кварков и глюонов (ПКГ), и он существовал только в первые доли секунды после Большого взрыва, когда Вселенная была настолько горячей и плотной, что кварки не могли объединяться в протоны и нейтроны. ПКГ – это состояние материи, которое физики хотят воссоздать и изучить, чтобы лучше понять, как возникла наша Вселенная и как она работает.
Для этого они используют БАК и один из его четырех основных экспериментов – ALICE (A Large Ion Collider Experiment). ALICE измеряет столкновения тяжелых ионов (и их последствия) с помощью самого длинного ускорителя частиц в мире, расположенного в CERN. Когда два иона свинца сталкиваются под углом 10 миллирадиан (почти нулевым), они создают огненный шар размером с атомное ядро, который достигает температуры около 5 триллионов градусов по Кельвину – это почти 300 000 раз горячее, чем центр Солнца. В этом шаре кварки и глюоны освобождаются от своих связей и образуют ПКГ.
Но ПКГ не длится долго – всего около 10^-22 секунды. Затем он остывает и расширяется, а кварки и глюоны снова соединяются в протоны, нейтроны и другие частицы. Эти частицы летят в разных направлениях со скоростью света и попадают в детекторы ALICE, которые регистрируют их траектории, энергии и заряды. Из этих данных ученые могут восстановить свойства ПКГ и понять, как он поведет себя при разных условиях.
ALICE – это самый сложный эксперимент по созданию ПКГ, но не первый. Еще в 1986 году физики предложили использовать столкновения тяжелых ядер для достижения температуры Хагедорна. С тех пор было проведено несколько экспериментов по созданию ПКГ в разных ускорителях частиц, таких как Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) в США, Super Proton Synchrotron (SPS) и Large Hadron Collider (LHC) в CERN. В этих экспериментах ученые обнаружили, что ПКГ не является идеальной жидкостью, как ожидалось, а ведет себя как сверхпроводящая жидкость с очень низкой вязкостью. Они также изучили, как ПКГ взаимодействует с различными видами частиц, такими как фотоны, мюоны и джеты.
Однако у ПКГ есть еще много тайн, которые нужно раскрыть. Например, ученые хотят понять, как ПКГ переходит от состояния высокой температуры и плотности к состоянию низкой температуры и плотности, в котором кварки и глюоны связаны. Этот переход называется фазовым переходом или кроссовером и может быть аналогичен переходу от жидкости к газу или от металла к изолятору. Ученые также хотят измерить свойства ПКГ, такие как скорость звука, энтропия, давление и теплоемкость.
Для этого они планируют провести новые эксперименты с БАК в ближайшие годы. Они будут использовать разные виды тяжелых ионов, таких как ксенон или олово, чтобы создавать разные формы и размеры ПКГ. Они также будут менять энергию столкновений, чтобы достичь разных температур и плотностей ПКГ. Кроме того, они будут применять новые методы анализа данных, чтобы извлечь больше информации из детекторов ALICE.
Большой адронный коллайдер – это уникальный инструмент для изучения самых ранних моментов Вселенной и самых маленьких частиц материи. С помощью БАК ученые могут создавать и изучать плазму из кварков и глюонов – состояние материи, которое было обычным до того, как сформировались атомы. Это поможет им лучше понять происхождение и эволюцию нашей Вселенной и ее законы.
Источник: SecurityLab