Что было сразу после Большого взрыва? Учёные попытались воссоздать это
В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была совершенно не похожа на ту, которую мы видим сегодня. Температура была настолько высокой, а плотность энергии настолько огромной, что протоны и нейтроны еще не могли существовать в привычном виде.
Их составляющие — кварки — и частицы, связывающие их между собой, глюоны, находились в свободном состоянии. Физики называют такое вещество кварк-глюонной плазмой.
В природе подобное состояние сегодня практически не встречается. Зато его можно на мгновение создать в лаборатории. Для этого ученые разгоняют атомные ядра до скоростей, очень близких к скорости света, а затем сталкивают их.
При столкновении энергия концентрируется в ничтожном объеме пространства. На какое-то время возникает чрезвычайно горячий сгусток материи, который затем стремительно расширяется и остывает.
Неожиданно эта микроскопическая материя ведет себя как жидкость
Когда физики впервые исследовали кварк-глюонную плазму, они ожидали увидеть нечто похожее на хаотическое облако элементарных частиц.
Но эксперименты на RHIC и Большом адронном коллайдере показали совсем другую картину.
Образовавшийся сгусток ведет себя скорее как чрезвычайно текучая жидкость. Частицы внутри него не разлетаются независимо друг от друга. Движение одной части среды оказывается связано с движением остальных, а вся система расширяется коллективно. Это удивительно уже само по себе. Но возникла новая проблема.
Если такая жидкость действительно образуется, насколько маленькой может быть система?
В столкновении тяжелых ядер золота или свинца участвуют сотни нуклонов. Там еще можно представить себе возникновение коллективной среды. Но что произойдет, если вместо огромного ядра взять гораздо более легкую систему?
Можно ли сделать жидкость из нескольких десятков частиц?
Именно вокруг этого вопроса много лет продолжались споры.
При столкновении протонов физики действительно обнаруживали признаки коллективного поведения. Но оставалось сомнение: не является ли это просто результатом отдельных квантовых взаимодействий между частицами?
Иными словами, если несколько частиц разлетаются преимущественно в определенных направлениях, это еще не означает, что перед нами возникла жидкость.
Чтобы разобраться, ученым понадобился своеобразный природный «тестовый объект» — ядра, форма которых заранее известна.
И здесь на сцену вышли кислород-16 и неон-20.
Два ядра почти одинакового размера, но разной формы
На первый взгляд кислород и неон подходят для сравнения очень хорошо. Они легкие, размеры их ядер близки, а количество нуклонов невелико.
Но внутри они устроены по-разному.
Ядро кислорода-16 можно представить как систему из четырех альфа-кластеров. Каждый такой кластер — это фактически компактная комбинация из двух протонов и двух нейтронов, то есть ядро атома гелия.
Эти четыре кластера способны образовывать конфигурацию, напоминающую тетраэдр — своеобразную трехмерную пирамиду с четырьмя вершинами.
У неона-20 ситуация иная. В его структуре можно выделить пять таких альфа-кластеров. Добавление пятого кластера меняет геометрию системы: ядро приобретает более вытянутую конфигурацию.
И это превращает столкновение двух легких ядер в очень интересный эксперимент.
Если кварк-глюонная среда действительно ведет себя как жидкость, она должна «почувствовать» исходную форму области столкновения.
Проще говоря, форма ядра должна превратиться в форму движения частиц после столкновения.
Как увидеть форму ядра по разлетевшимся частицам
Представим обычную каплю жидкости. Если она круглая и выдавливается одинаково во все стороны, ее движение будет симметричным.
Но если сделать каплю вытянутой, давление распределится иначе. Из более узких областей жидкость будет стремиться выйти быстрее.
Примерно такой принцип работает и в столкновении ядер.
Когда два ядра встречаются на огромной скорости, возникает крошечная область сверхплотной материи. Она не обязательно имеет идеально круглую форму.
Если область оказывается вытянутой, давление внутри нее распределяется неравномерно. При последующем расширении это приводит к тому, что частицы начинают преимущественно двигаться в определенных направлениях.
Физики называют такое явление анизотропным потоком.
И здесь появляется возможность провести настоящий эксперимент с геометрией.
Если вытянутое ядро неона действительно создает вытянутую область взаимодействия, после столкновения должен появиться особенно заметный эллиптический поток.
А если тетраэдрическая структура кислорода оставляет более выраженный треугольный отпечаток, должен усилиться уже другой компонент движения — треугольный поток.
То есть ученые фактически пытаются сделать следующее:
посмотреть на то, как разлетелись частицы, и по этому следу восстановить форму материи, существовавшей непосредственно после столкновения.
Что произошло на Большом адронном коллайдере
Именно такой эксперимент провела коллаборация ALICE.
Исследователи столкнули ядра кислорода-16 друг с другом и отдельно провели столкновения неона-20. Энергия составляла 5,36 ТэВ на пару сталкивающихся нуклонов.
Статистика оказалась огромной: было проанализировано около 3 миллиардов столкновений кислорода и примерно 400 миллионов столкновений неона.
Но собрать огромное количество событий было недостаточно. Нужно было еще доказать, что наблюдаемая картина не возникает из-за обычных парных процессов между частицами.
Например, частицы могут появляться связанными парами вследствие распадов других частиц или жестких столкновений, образующих струи. Такие эффекты способны создавать похожие корреляции, но к поведению жидкости отношения не имеют.
Поэтому физики использовали многочастичные корреляции, в частности четырехчастичный кумулянт (v_2{4}).
Звучит сложно, но смысл можно объяснить довольно просто.
Вместо вопроса «связаны ли две частицы?» ученые спрашивают гораздо строже:
двигается ли большое количество частиц согласованно, как единая среда?
Если ответ положительный, это становится серьезным аргументом в пользу коллективного, гидродинамического поведения.
Неон действительно оставил более выраженный «эллиптический след»
Результат оказался именно таким, какого ожидали физики.
В наиболее центральных столкновениях эллиптический поток у неона оказался примерно на 8% сильнее, чем у кислорода. Отношение соответствующих величин достигало примерно 1,08.
При менее центральных столкновениях разница становилась меньше — около 5%. На первый взгляд несколько процентов могут показаться незначительными. Но в эксперименте такого уровня это очень важная деталь.
Почему? Потому что здесь сравниваются две очень похожие системы, различающиеся прежде всего своей геометрией. И обнаруженная разница оказывается согласованной с тем, что предсказывают гидродинамические модели.
И если все звенья этой цепочки работают, частицы после столкновения действительно могут рассказать нам о том, какой была материя в самом начале процесса.
А кислород оставил треугольный отпечаток
В наиболее центральных столкновениях отношение треугольного потока к эллиптическому оказалось выше, чем для неона. Это соответствует ожиданию, связанному с тетраэдрической конфигурацией четырех альфа-кластеров в ядре кислорода-16.
Получается почти невероятная на бытовой взгляд ситуация: физики сталкивают крошечные атомные ядра, а затем по статистике разлетающихся частиц пытаются определить, какую пространственную структуру имели составляющие этих ядер.
И эксперимент показывает, что такая связь действительно существует.
Но исследование оказалось полезно не только для изучения ядер
Есть еще один слой этой истории.
Чтобы описать происходящее, ученым приходится моделировать не только форму самого ядра. Необходимо понимать, как устроены протоны и нейтроны, из которых оно состоит. А протоны и нейтроны, в свою очередь, не являются однородными шариками.
Внутри них находится сложная квантовая структура, связанная прежде всего с кварками и глюонными полями.
Поэтому эксперимент дает возможность заглянуть еще глубже — буквально внутрь нуклонов.
Насколько «зернистым» является протон?
В используемых моделях можно менять параметр, связанный с характерным размером небольших областей концентрации энергии внутри нуклона.
Одни расчеты предполагают сравнительно крупные неоднородности — порядка 0,4 фемтометра.
Но такие модели хуже воспроизводят экспериментальные результаты.
Гораздо лучше с данными ALICE согласовалась модель IP-Glasma, в которой характерный размер подобных глюонных структур составляет примерно 0,11 фемтометра.
То есть речь идет о масштабе, который настолько мал, что даже само атомное ядро по сравнению с ним кажется огромным объектом.
Интересно, что близкое значение ранее получали и другими методами, изучая столкновения электронов с протонами. Поэтому новый результат не просто подгоняет модель под один эксперимент, а добавляет еще одно независимое свидетельство в пользу определенной картины внутреннего устройства нуклона.
Что на самом деле удалось «воссоздать»?
Здесь важно сделать оговорку относительно громкого заголовка. Большой взрыв в буквальном смысле ученые не воспроизводили.
Никакой новой Вселенной размером с атом не возникло. И само столкновение ядер не является копией рождения Вселенной.
Эксперимент позволяет создать чрезвычайно горячее и плотное состояние вещества, которое по своим физическим свойствам напоминает кварк-глюонную материю, существовавшую в очень ранней Вселенной.
Это скорее не «миниатюрный Большой взрыв», а крошечный лабораторный фрагмент физики ранней Вселенной.
Причем живет он невероятно мало — практически исчезает сразу после возникновения. Но даже за это ничтожное время успевает произойти удивительно много.
Кварки и глюоны взаимодействуют, система расширяется, охлаждается, а затем превращается в обычные частицы, которые уже можно зарегистрировать детекторами.
И именно эти частицы становятся своеобразной фотографией того, что происходило внутри микроскопического сгустка материи.
Почему этот эксперимент важен
Главный результат работы ALICE состоит не в том, что ученые просто увидели еще один эффект в коллайдере.
Они получили способ связать геометрию атомного ядра с коллективным поведением кварк-глюонной материи.
Эксперимент показывает, что гидродинамическое описание продолжает работать даже в чрезвычайно маленьких системах, содержащих всего несколько десятков нуклонов. Одновременно столкновения легких ядер становятся инструментом для изучения структуры самих нуклонов.
Получается необычная научная лестница.
Мы начинаем с ядра размером порядка нескольких фемтометров. Затем пытаемся понять расположение нуклонов внутри него. После этого заглядываем внутрь протонов и нейтронов, где обнаруживаем еще более мелкие структуры, связанные с глюонными полями. А в конечном итоге все это связывается с состоянием материи, которое существовало в первые мгновения жизни Вселенной.
Именно поэтому столкновения двух небольших ядер могут оказаться не менее интересными, чем гигантские столкновения тяжелых ионов. Чем меньше становится экспериментальная система, тем неожиданнее вопрос, который мы можем ей задать: где заканчивается мир отдельных квантовых частиц и начинается коллективное поведение материи?
Результат ALICE показывает, что граница между этими двумя мирами находится гораздо дальше, чем физики могли предполагать еще несколько десятилетий назад.
