Унікальний експеримент на Великому адронному колайдері (ВАК) наблизив науку до розгадки таємниць раннього Всесвіту. Фізики колаборації ATLAS вперше зафіксували утворення пар топ-кварків у зіткненнях важких ядер свинцю. Це відкриття не лише підтвердило теоретичні прогнози, а й відкрило новий шлях для дослідження кварк-глюонної плазми — стану матерії, що існував у перші мікросекунди після Великого вибуху.
«Суп» із початку часів
При зіткненні ядер свинцю на неймовірній швидкості ВАК створює екстремальні умови, де виникає кварк-глюонна плазма — розпечений та надзвичайно щільний «бульйон» із вільних кварків і глюонів. Саме ця субстанція, на думку вчених, заповнювала Всесвіт у перші миті його існування.
«Наш експеримент — це машина часу, яка відтворює в лабораторії процеси, що відбувалися 13,8 млрд років тому», — пояснює Ентоні Бадеа з Чиказького університету, один з авторів дослідження.
Вивчення плазми дозволяє не лише краще зрозуміти еволюцію космосу, а й перевірити основи квантової хромодинаміки — теорії, що описує взаємодію кварків.
Масивні свідки минулого
Особливу роль у дослідженні відіграли топ-кварки — наймасивніші з відомих елементарних частинок. Їхня унікальність полягає в надзвичайно короткому житті (близько 10⁻²⁵ секунди) та чіткій схемі розпаду. Оскільки топ-кварки розпадаються ще до зникнення кварк-глюонної плазми, вони стають ідеальними зондами для вивчення її структури.
«Частинка розпадається на легші компоненти, які, своєю чергою, продовжують розпадатися. Аналізуючи часові затримки між цими процесами, ми можемо побачити, як плазма впливає на частинки», — коментує Стефано Форте з Міланського університету.
Перші результати
Команда ATLAS проаналізувала мільйони зіткнень, шукаючи рідкісні події народження топ-кварків. Дослідники зосередилися на так званому дилептонному каналі, де кожен кварк розпадається на W-бозон (носій слабкої взаємодії) та нижній кварк. W-бозон, своєю чергою, перетворюється на лептон (наприклад, електрон) і нейтрино, які фіксуються детекторами.
Результати показали: кількість утворених топ-кварків повністю відповідає прогнозам сучасної фізики. «Це перший крок. Тепер ми знаємо, що можемо генерувати топ-кварки у складному середовищі ядерних зіткнень. Наступний етап — вивчити, як саме плазма впливає на їхню поведінку», — зазначає Хуан Рохо з Амстердамського університету.
Майбутнє досліджень
Наразі кількості даних все ще недостатньо для детального аналізу більш тонких ефектів. Проте вже за кілька років, після модернізації ВАК для роботи з більш високими енергіями, вчені отримають змогу збирати значно більшу статистику. Це дозволить:
- визначити, чи відрізняються властивості глюонів у ядрах від тих, що у вільних протонах;
- дослідити часову динаміку кварк-глюонної плазми;
- виявити нові явища в сильній взаємодії.
Це дослідження не лише розширює межі нашого розуміння фізики частинок, а й нагадує: відповіді на найбільші таємниці Всесвіту приховані в найменших його складових.
Раніше ми повідомляли про те, як нейтронні зорі можуть мати кваркові ядра.
За матеріалами physicsworld.com
