Впервые получены кварк-глюонные капли эллиптической и треугольной формы

Ученым из коллаборации PHENIX удалось получить капли кварк-глюонного вещества трех различных форм: круглой, эллиптической и треугольной. Капли наблюдались в столкновениях протонов, а также ядер дейтерия и гелия-3 с ядрами золота на Релятивистском тяжелоионном коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории. Об этом авторы сообщают в статье, опубликованной в журнале Nature Physics.

Кварк-глюонная плазма представляет собой экзотическое состояние ядерного вещества, в которое переходят протоны и нейтроны при сверхвысоких температурах порядка триллиона градусов Кельвина. При столь высоких температурах кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, и глюоны, становятся практически свободными, а образуемая ими среда начинает «растекаться» во все стороны. Согласно современным представлениям, именно в таком состоянии находилась большая часть вещества во Вселенной в первые несколько миллисекунд после Большого взрыва.

Эксперименты по созданию и изучению кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжелых ядер на коллайдере RHIC начались ещё в 2000 году. В 2005 году были опубликованы первые статьи, в которых утверждалось, что это экзотическое состояние удалось, наконец, зарегистрировать. Оказалось, что его свойства близки к свойствам идеальной, то есть не обладающей вязкостью, жидкости.

В дальнейшем свойства кварк-глюонной плазмы изучались и на Большом адронном коллайдере в столкновениях ядер свинца друг с другом. Неожиданным оказалось наблюдение кварк-глюонного состояния вещества в столкновениях ядер свинца с протонами: считалось, что из-за малого размера протона и малого времени столкновения кварк-глюонная плазма при таких столкновениях не должна успевать образоваться.

В 2014 году коллаборация PHENIX, работающая на коллайдере RHIC, приняла решение проверить результаты для протон-ядерных столкновений. Кроме того, было высказано предположение, что образующиеся в результате кварк-глюонные капли могут иметь несферическую форму, если использовать вместо протонов более сложные легкие частицы.

В новой статье авторы утверждают, что им удалось не только подтвердить результаты, полученные на Большом адронном коллайдере, но и наблюдать такие несферические капли кварк-глюонной плазмы. Для этого с ядрами золота сталкивали в одном случае ядра дейтерия — дейтроны, состоящие из одного протона и одного нейтрона, — а в другом — ядра гелия-3, состоящие из одного нейтрона и двух протонов. Энергия частиц в расчёте на один нуклон в этих столкновениях составляла 200 гигаэлектронвольт.

В случае протонов, как и ожидалось, форма образующейся капли была близка к сферической, однако в случае дейтронов капли имели вытянутую форму, близкую к эллиптической. Это напоминает форму волн на воде от двух упавших рядом камушков.

Еще более необычной получалась форма кварк-глюонных капель в случае ядер гелия-3, содержащих три нуклона. От каждого из них возникал расширяющийся сгусток, которые при сложении образовывали каплю с треугольным профилем.

В дальнейшем полученные результаты предполагается проверить в столкновениях с большей энергией на Большом адронном коллайдере. Аналогичные эксперименты в будущем могут быть проведены на строящихся тяжелоионных ускорителях FAIR в Дармштадте, Германия и NICA в Дубне, Россия.