Столкновения ядер породили капли плазмы субъядерных размеров

Детектор PHENIX ускорителя RHIC
RHIC
Кварк-глюонная плазма, — горячая ядерная субстанция, которую раньше наблюдали только в столкновении двух тяжелых ядер, — способна образовываться и при ударе легкого ядра по тяжелому. Такой вывод сделала коллаборация PHENIX, работающая на американском коллайдере тяжелых ионов RHIC, после изучения результатов столкновений ядер гелия-3 и золота. Статья коллаборации опубликована в журнале Physical Review Letters, а ее предварительная версия доступна в архиве электронных препринтов arxiv.org. Как следствие такого столкновения, образуются капли субъядерных размеров.
Кварк-глюонная плазма — это такое состояние ядерной материи, в которой отдельные протоны и нейтроны словно растворяются друг в друге. Составляющие их кварки начинают свободно гулять по всему объему, но остаются сильно связанными. Поэтому эта плазма ведет себя не как газ, а как жидкость, и причем, как выяснилось в 2005 году, с практически нулевой вязкостью. Такое состояние ядерного вещества может возникать при достаточно высоком давлении и температуре (примерно до 2 триллионов градусов). В таком состоянии находилась Вселенная спустя микросекунды после Большого взрыва, и примерно такое же состояние может до сих пор существовать в самом центре некоторых нейтронных звезд. Экспериментальное изучение такой плазмы позволит не только «заглянуть» в раннюю Вселенную или вглубь нейтронных звезд, но и лучше понять, как вообще устроено сильное взаимодействие.
Надо сказать, что столкновение ядер большой энергии — это хоть и быстро протекающий, но сложный процесс. За кратчайший промежуток времени длительностью в десятки йоктосекунд успевают сменить друг друга несколько форм существования ядерной материи (см. рисунок).
Когда, в начале 2000-х, коллайдер тяжелых ионов RHIC сталкивал разные ядра, то работавшие на нем коллаборации PHENIX и STAR видели проявления кварк-глюонной плазмы в столкновении двух ядер золота (Au+Au), но не видели их в несимметричных столкновениях легкого ядра дейтерия с золотом (d+Au). Это интерпретировалось так: для возникновения плазмы требуется «всадить» в ядро достаточно энергии, чтобы по всему объему ядра произошло плавление протонов и нейтронов. Столкновение Au+Au этот порог преодолевает, а d+Au — нет.
Однако недавно модернизированный уже детектор PHENIX стал замечать намеки на коллективные эффекты и в столкновениях d+Au. Они напоминали следы кварк-глюонной плазмы, но это как-то не слишком вязалось с общим утверждением, что в таких несимметричных столкновениях выделившейся энергии недостаточно для плавления ядра. Размышляя над этим, физики пришли к мысли, что, может быть, кварк-глюонная плазма образуется не во всем ядре, а только в маленьких «горячих зонах», в местах непосредственного удара протонов или нейтронов по тяжелому ядру (см. верхнюю картинку). В 2014 году было опубликовано конкретное предложение по проверке этой идеи, и сейчас коллаборация PHENIX сообщает о ее реализации.
Cливаясь, они порождают капельку треугольной формы. Расширяясь, эта капелька создаст угловые корреляции разлетающихся адронов, которые будут «помнить» об исходной треугольной форме. Этот треугольный поток и был измерен в эксперименте. Он оказался довольно большим, существенно больше, чем было бы без кварк-глюоной плазмы, и вполне согласовывался с предсказаниями разнообразных моделей, учитывающих гидродинамические течения. Такое хорошее согласие является сильным указанием на то, что исходная догадка о крошечных, субъядерных капельках кварк-глюонной плазмы верна.
Таким образом, и без того сложная картина ядерных столкновений дополняется еще одним этапом. Когда встречный нуклон — не важно, сам по себе или из какого-то ядра, — вонзается в ядро на достаточно большой энергии, он плавит ядерную материю в месте попадания. Если встречное ядро было большое, то все эти капли сливаются и приводят к плавлению ядер целиком — это то, что наблюдалось раньше. Но даже если ядро маленькое, как в случае гелия-3, локальное плавление все равно происходит, просто капля кварк-глюонной плазмы остается маленькой. Можно даже сказать, что проведенный эксперимент доказал реальность самых маленьких капелек этой субстанции.
Игорь Иванов