Уникальный эксперимент на Большом адронном коллайдере (БАК) приблизил науку к разгадке тайн ранней Вселенной. Физики коллаборации ATLAS впервые зафиксировали образование пар топ-кварков в столкновениях тяжелых ядер свинца. Это открытие не только подтвердило теоретические прогнозы, но и открыло новый путь для исследования кварк-глюонной плазмы — состояния материи, существовавшего в первые микросекунды после Большого взрыва.
«Суп» с начала времен
При столкновении ядер свинца на невероятной скорости БАК создает экстремальные условия, где возникает кварк-глюонная плазма — раскаленный и чрезвычайно плотный «бульон» из свободных кварков и глюонов. Именно эта субстанция, по мнению ученых, заполняла Вселенную в первые мгновения ее существования.
«Наш эксперимент — это машина времени, которая воспроизводит в лаборатории процессы, происходившие 13,8 миллиарда лет назад», — объясняет Энтони Бадеа из Чикагского университета, один из авторов исследования.
Изучение плазмы позволяет не только лучше понять эволюцию космоса, но и проверить основы квантовой хромодинамики — теории, описывающей взаимодействие кварков.
Массивные свидетели прошлого
Особую роль в исследовании сыграли топ-кварки — самые массивные из известных элементарных частиц. Их уникальность заключается в чрезвычайно короткой жизни (около 10–²⁵ секунды) и четкой схеме распада. Поскольку топ-кварки распадаются еще до исчезновения кварк-глюонной плазмы, они становятся идеальными зондами для изучения ее структуры.
«Частица распадается на более легкие компоненты, которые, в свою очередь, продолжают распадаться. Анализируя временные задержки между этими процессами, мы можем увидеть, как плазма влияет на частицы», — комментирует Стефано Форте из Миланского университета.
Первые результаты
Команда ATLAS проанализировала миллионы столкновений, ища редкие события рождения топ-кварков. Исследователи сосредоточились на так называемом дилептонном канале, где каждый кварк распадается на W-бозон (носитель слабого взаимодействия) и нижний кварк. W-бозон, в свою очередь, превращается в лептон (например, электрон) и нейтрино, которые фиксируются детекторами.
Результаты показали: количество образованных топ-кварков полностью соответствует прогнозам современной физики. «Это первый шаг. Теперь мы знаем, что можем генерировать топ-кварки в сложной среде ядерных столкновений. Следующий этап — изучить, как именно плазма влияет на их поведение», — отмечает Хуан Рохо из Амстердамского университета.
Будущее исследований
Сейчас количества данных все еще недостаточно для детального анализа более тонких эффектов. Однако уже через несколько лет, после модернизации БАК для работы с более высокими энергиями, ученые получат возможность собирать значительно большую статистику. Это позволит:
- определить, отличаются ли свойства глюонов в ядрах от тех, что в свободных протонах;
- исследовать временную динамику кварк-глюонной плазмы;
- обнаружить новые явления в сильном взаимодействии.
Это исследование не только расширяет границы нашего понимания физики частиц, но и напоминает: ответы на самые большие тайны Вселенной скрыты в самых маленьких ее составляющих.
Ранее мы сообщали о том, как нейтронные звезды могут иметь кварковые ядра.
По материалам physicsworld.com
