Newswise — Крупнейший и самый мощный в мире ускоритель частиц, возможно, производит мельчайшие в мире капли жидкости прямо под носом учёных. Исследователи при поддержке Управления науки Министерства энергетики раскапывают эту субатомную загадку.

Под землей на границе Швейцарии и Франции Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРН является рекордсменом по величине в мире ускорителя частиц. Одно только его кольцо составляет почти 17 миль в окружности. С помощью этого инструмента ученые объединяют субатомные частицы, чтобы лучше понять крошечные строительные блоки Вселенной. Одной из областей, которую ученые используют для изучения БАКа, является кварк-глюонная плазма.

Суп в начале Вселенной

Кварки и глюоны» aria-label=»DOE объясняет…Кварки и глюоны»>Кварк-глюонная плазма — это невообразимо горячая, жидкая жидкость. Ее энергия настолько высока, что высвобождаются кварки и глюоны, составляющие видимую материю. из их обычного заключения внутри протонов и нейтронов в ядрах, она на самом деле течет так легко – намного легче, чем вода – что ученые считают ее почти «идеальной» жидкостью.

Первоначально кварк-глюонная плазма существовала в самом начале Вселенной, сразу после Большого взрыва. Спустя несколько долей секунды плазма остыла. При этом кварки и глюоны объединились, образовав знакомые протоны и нейтроны, составляющие ядра атомов. В повседневной жизни кварки и глюоны всегда удерживаются вместе в протонах и нейтронах.

В настоящее время кварк-глюонную плазму можно создать только в двух местах на Земле – на БАКе и в релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC, пользовательский центр Министерства энергетики США) в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики. Ученые изучают его, чтобы лучше понять происхождение нашей Вселенной и частиц, из которых она состоит.

Для этого ученые сталкивают тяжелые ионы. (Тяжелые ионы — это атомы элементов тяжелее водорода, у которых оторваны электроны.) В частности, LHC сталкивается с ионами свинца, а RHIC — с ионами золота и другими. В некоторых экспериментах тяжелые ионы также сталкиваются с протонами.

Столкновения происходят настолько высокоэнергетически, что глюоны больше не удерживают кварки вместе. И кварки, и глюоны освобождаются из своего заключения в протонах и нейтронах. Как и в начале Вселенной, плазма быстро остывает и превращается в новые частицы. Изучая количество, типы и траектории частиц, ученые могут работать в обратном направлении и получить информацию о кварк-глюонной плазме.

Идентификация следов кварк-глюонной плазмы

Поскольку кварк-глюонная плазма существует в течение такого короткого периода времени, может быть трудно сказать, сформировалась она или нет.

Когда ученые из RHIC начали изучать кварк-глюонную плазму, они использовали физическую теорию, чтобы определить, сформировалась ли плазма или нет. Они знали, что в результате столкновений будет создано множество частиц, но не знали, насколько сильно они будут взаимодействовать друг с другом. Экспериментальные данные показали, что наука гидродинамики хорошо описывает кварк-глюонную плазму. Когда столкновения между ионами частично перекрываются, они создают неравномерное распределение плотности продолговатой формы. Разница в давлении выталкивает частицы из плотных областей в области с меньшим количеством частиц. Это формирует эллиптическую структуру текущих частиц.

По мере дальнейшего изучения кварк-глюонной плазмы ученые поняли, что эта эллиптическая структура является ее ключевой характеристикой. Эта закономерность является свидетельством того, что кварки и глюоны сильно взаимодействуют, что они могут делать только в кварк-глюонной плазме.

Сначала ученые предполагали, что только тяжелые ионы, сталкиваясь друг с другом, могут образовывать кварк-глюонную плазму. Но со временем они исследовали новые комбинации. При столкновениях ионов с протонами они увидели очень похожую картину.

Затем ученые, проводившие исследования в ЦЕРН в рамках сотрудничества ATLAS – некоторые из них из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики – попытались сделать что-то еще более радикальное. Они исследовали, что происходит при столкновениях между частицами света и ионами на БАКе.

Сталкивающиеся частицы света

БАК уже производил эти столкновения – ученым просто нужно было придумать, как их изучать.

Когда БАК бомбардирует друг друга ионами свинца, эти частицы имеют положительный заряд. Во время движения они создают электромагнитные поля – очень яркий свет. Эти поля производят частицы света, называемые фотонами. Когда ионы свинца движутся через ускорительную трубку, каждый из них окружен облаком фотонов.

Какими бы большими ни были ионы свинца для ядер, они по-прежнему очень малы в общей схеме вещей. Большую часть времени ионы, стреляющие друг в друга, не сталкиваются. В луче их достаточно, которые сталкиваются для сбора данных, но есть много промахов. К счастью, ученые, участвовавшие в этом эксперименте, хотели изучить наиболее опасные ситуации.

Когда происходят близкие промахи, один из фотонов из фотонного облака, окружающего один ион, врезается в ион, идущий в противоположном направлении. Подумайте о том, чтобы не столкнуться с кем-то на тротуаре только для того, чтобы ударить его своим рюкзаком — фотонное поле здесь является рюкзаком. Поскольку существует целый пучок, полный ионов, такие фотонно-ионные столкновения происходят довольно часто.

Закономерность в данных

То, что обнаружили ученые БАКа, их удивило. Путь частиц после столкновений фотонов и ионов показал характерную эллиптическую структуру, связанную с кварк-глюонной плазмой. Это было странно, потому что у фотонов просто не должно было быть достаточно энергии, чтобы расплавить протоны и нейтроны массивных ядер свинца. Это было бы все равно, что бросить спичку в айсберг.

Но квантовая физика дала потенциальное объяснение.

Хотя антиматерия звучит как концепция научной фантастики, она определенно реальна. Частицы антиматерии являются партнерами частиц материи. Они имеют одинаковую массу, но имеют противоположные заряды. Почти 100 лет назад физик Поль Дирак предсказал существование антиматерии. Он также предсказал, что когда частица материи и частица антиматерии встречаются, они уничтожают друг друга и производят два фотона. Более поздние эксперименты показали, что его предсказания были верны.

Вот что самое странное: этот процесс может происходить и в обратном направлении. Благодаря квантовым флуктуациям два фотона также могут взаимодействовать и создавать кварк и антикварк. Прежде чем кварк и антикварк уничтожат друг друга, они могут образовать очень короткую промежуточную частицу. Физики элементарных частиц полагают, что этой промежуточной частицей может быть ро-мезон, частица, состоящая из кварка и антикварка, скрепленных глюонами. В отличие от одиночного фотона, ро-мезон, столкнувшийся с ионом свинца, потенциально может оказать воздействие.

Но это все были экспериментальные данные. Чтобы гарантировать, что экспериментальные данные вписываются в физическую теорию, ученым необходимо провести расчеты, которые точно их описывают.

Подсчет цифр

Введите теоретиков. Физики-теоретики из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики и Государственного университета Уэйна при поддержке Управления науки Министерства энергетики изучили данные, чтобы лучше понять их.

К счастью, они начинали не с нуля. У них уже были расчеты, описывающие столкновения ионов свинца с протонами. Эти расчеты являются гидродинамическими расчетами – они описывают движение жидкостей.

Опираясь на эту структуру, ученые ядра-свет-могут-создать-жидкость-первичную-материю -substitution=»canonical» title=»Удар по ядрам светом может создать жидкую первичную материю» aria-label=»Удар по ядрам светом может создать жидкую первичную материю»>адаптировал эти расчеты, чтобы они также могли описывать близкие столкновения. Основное изменение заключалось в том, чтобы учесть тот факт, что с ионом взаимодействует совершенно другой тип частиц. Второе изменение заключалось в том, чтобы учесть тот факт, что ро-мезон (промежуточная частица) имеет гораздо меньшую энергию, чем протоны, с которыми обычно сталкивается ускоритель. с ионами. В результате все столкновение имеет меньшую энергию. Это изменяет поток частиц.

Благодаря этим корректировкам теоретики обнаружили, что их расчеты наиболее очевидной схемы течения совпадают с экспериментальными данными БАК.

Они также пришли к тем же выводам, что и ученые из БАКа, — что существует вероятность того, что столкновения фотонов и ионов образуют «сильно взаимодействующую жидкость». Хотя эта работа и не доказывает этого, эти исследования указывают на возможность того, что эти гораздо меньшие столкновения на самом деле могут образовывать крошечные капли кварк-глюонной плазмы.

Копаем глубже

Эти исследования закладывают основу для исследований, которые могут глубже понять, что именно происходит. Будущие исследования на LHC и RHIC помогут ученым разобраться, формируют ли эти столкновения кварк-глюонную плазму или существует альтернативное объяснение. Электронно-ионный коллайдер, строящийся пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики США, должен предложить еще больше информации.

Когда-то кварк-глюонная плазма существовала только в самом начале Вселенной. Но теперь мы обнаруживаем, что в наших экспериментах это может проявляться так, как мы никогда не ожидали. Иногда, чтобы узнать больше о строительных блоках нашей Вселенной, просто требуется по-новому взглянуть на эксперименты, которые мы уже проводим.