Большой адронный коллайдер на день перешел на ксенон

В пятницу, 13 октября, в Большом адронном коллайдере прошел необычный эксперимент — на восемь часов протоны в ускорителе заменили на атомы ксенона. Основные детекторы БАК впервые получат данные о столкновениях этих ядер, при том что ранее в ускорителе использовались лишь ядра свинца и водорода. Новый эксперимент позволит оценить возможности LHC, а также исследовать состояние кварк-глюонной плазмы в каплях небольшого размера — модель материи в ранней Вселенной. Об этом сообщает пресс-релиз CERN.

Традиционно в конце года в Большом адронном коллайдере проходят сеансы столкновений тяжелых ядер. На несколько недель протоны в коллайдере заменяют на ядра свинца, разгоняемые до энергий в несколько тысяч тераэлектронвольт. В результате столкновений таких ядер образуются капли кварк-глюонной плазмы. В этом виде материи кварки не объединены в отдельные адроны, вместо этого они образуют общее облако. Таким образом физики моделируют состояние Вселенной в первые микросекунды ее жизни.

Ранее в БАК происходили столкновения ядер свинца с ядрами свинца, а также протонов с ядрами свинца. В 2017 году традиционного сеанса столкновений тяжелых ядер не будет, но вместо этого физики подготовили ускоритель для экспериментального сеанса столкновений ядер ксенона. Ксенон несколько легче свинца — ядро используемого изотопа состоит из 54 протонов и 75 нейтронов (у свинца 82 протона и 126 нейтронов). Поэтому в результате столкновений ксенона с ксеноном будут образовываться капли плазмы меньшего размера, чем при столкновениях свинец-свинец. Еще меньший размер достигается в столкновениях протонов с ядрами свинца.

Изначально ускорительный эксперимент с ксеноном был разработан специально для коллаборации NA61/SHINE, занимающейся исследованием кварк-глюонной плазмы в столкновениях с неподвижной мишенью. Чтобы получить ускоренные ядра ксенона, газ проходит через четыре последовательных ускорителя: линейный ускоритель linac, протонный бустер, протонный синхротрон и протонный суперсинхротрон. Там он теряет электроны и получает первичное ускорение. 13 октября ядра ксенона из протонного суперсинхротрона поступали в БАК, где и фиксировались столкновения ксенон-ксенон. Следующие восемь недель ядра ксенона будут направляться к эксперименту NA61/SHINE.

Физики отмечают, что переключиться с протонов на ядра ксенона — сложная задача. Подготовка к эксперименту шла с начала 2017 года. В пучках ксенона присутствует иное количество сгустков, а также другая частота вращения, по сравнению с пучком протонов. К примеру, из-за этого возникают сложности с синхронизацией радиочастотных систем ускорителя.

Одна из целей NA61/SHINE — определить пороговую энергию столкновений, при которой возможно образование кварк-глюонной плазмы. Особенность кварков состоит в том, что они не могут существовать по-одиночке. Это явление называется конфайнментом. Энергия, требуемая для разрыва пары кварков, достаточна для того, чтобы родить еще пару кварков и образовать новые адроны. Но если энергия, которая подводится к системе, превышает некоторую величину, то кварки и связывающие их глюоны образуют общее облако, а не отдельные адроны.

Наблюдения ATLAS, ALICE, CMS и LHCb расширят объем данных, которые соберет NA61/SHINE. К примеру, за время сегодняшнего сеанса только ALICE (специализирующийся на столкновениях тяжелых ионов) зарегистрировал 4,5 миллиона столкновений. 

В апреле 2017 года коллаборация ALICE сообщила о наблюдении капель кварк-глюонной плазме в столкновениях протонов. Ранее считалось, что протоны слишком легки для этого. 

Владимир Королёв