Физики на мощнейших ускорителях исследуют Вселенную в первую микросекунду после Большого взрыва

Сразу после Большого взрыва температуры были настолько экстремальными, что атомные ядра не могли сформироваться. Не было и нуклонов (протонов и нейтронов), из которых строятся ядра. Следовательно, в это время Вселенная была наполнена «первичным бульоном» из кварков и глюонов.

Когда Вселенная остыла, эта среда подверглась «замерзанию», что привело к образованию известных нам сегодня частиц, таких как протоны и нейтроны. Это явление повторяется в гораздо меньшем масштабе в экспериментах на ускорителях частиц, где столкновения двух ядер создают крошечные капли кварковой материи. Эти капли в конечном итоге затем переходят в обычную материю посредством замораживания — трансформации, известной исследователям, проводящим эти эксперименты.

Свойства кварковой материи изменяются из-за разницы в давлении и температуре, возникающей в результате столкновения в ускорителях частиц. Этот вариант требует измерений для «сканирования» материи в ускорителях частиц разных энергий, Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в США или Суперпротонном синхротроне (SPS) и Большом адронном коллайдере (LHC) в Швейцарии.

«Этот аспект настолько важен, что специально для подобных экспериментов во всем мире, например в Германии или Японии, строятся новые ускорители. Пожалуй, самый существенный вопрос заключается в том, как происходит переход между фазами: в этом момент может возникнуть критическая точка», — объясняет Мате Чанад, профессор физики кафедры атомной физики Университета Этвеша Лоранда (ELTE).

Долгосрочная цель исследования — углубить наше понимание сильного взаимодействия, которое управляет кварковой материи в нуклонах. Наш нынешний уровень знаний пока совершенно недостаточен. Физики сравнивают наши познания в этой области освоением человечеством электричества 100 или даже 200 лет назад — в эпоху Вольты, Фарадея или Максвелла.

Хотя Максвелл уже вывел фундаментальные уравнения, описывающие электромагнитные взаимодействия, потребовался огромный объем экспериментальной и теоретической работы для разработки технологий, которые глубоко изменили повседневную жизнь — от лампочки до телевизоров, телефонов, компьютеров и Интернета. Точно так же наше понимание сильного взаимодействия все еще находится в зачаточном состоянии, поэтому исследования по его изучению жизненно важны.

Исследователи из ELTE участвовали в экспериментах на каждом из упомянутых ускорителей, и их работа за последние несколько лет привела к получению комплексной картины геометрии кварковой материи. Они достигли этого благодаря применению методов фемтоскопии. Этот метод использует корреляции, возникающие из-за неклассической, квантовоподобной волновой природы образующихся частиц, что в конечном итоге раскрывает фемтометрическую структуру среды и источника излучения частиц.

«В предыдущие десятилетия фемтоскопия основывалась на предположении, что кварковая материя имеет нормальное распределение, то есть гауссову форму, встречающуюся во многих местах в природе», — объясняет Мартон Надь, один из ведущих исследователей группы. Однако венгерские исследователи обратились к процессу Леви. Так описывается броуновское движение и радиоактивный распад, поиск добычи морскими хищниками, и процессы на фондовом рынке и даже изменение климата.

Отличительной чертой этих процессов является то, что в определенные моменты они претерпевают очень большие изменения (например, когда акула ищет пищу на новом участке), и в таких случаях может иметь место распределение Леви, а не нормальное (гауссово) распределение.

Это исследование имеет большое значение по нескольким причинам. Прежде всего, одной из наиболее изученных особенностей замораживания кварковой материи и ее превращения в обычную (адронную) материю, является фемтоскопический радиус, которая получена на основе фемтоскопических измерений. Однако этот масштаб зависит от предполагаемой геометрии среды.

Как говорит участник исследования Даниэль Кинчес: «Если распределение Гаусса нельзя применить, то наиболее точные результаты этих исследований можно получить только в рамках процесса Леви. Значение "показателя Леви", который характеризует распределение также может пролить свет на природу фазового перехода. Таким образом, ее изменение в зависимости от энергии столкновения дает ценную информацию о различных фазах кварковой материи».

«Уникальность наших исследований в области фемтоскопии заключается в том, что они проводятся в четырех экспериментах на трех ускорителях частиц, что дает нам широкое представление о геометрии и возможных фазах кварковой материи», — заключает Мате Чанад.