Фізики створили «малі» Великий вибухи з легких атомів

21 серпня 2026 р. 19:56

21 серпня 2026 р. 19:56

У перші мільйонні частки секунди після Великого вибуху Всесвіт перебував у надзвичайно гарячому й густому стані, відомому як кварк-глюонна плазма. Команда фізиків з Університету Копенгагена та CERN відтворила «малі» версії цих космічних умов, розганяючи легкі атомні ядра до майже світлових швидкостей на Великому адронному колайдері. Як повідомляє видання Popular Science , результати свідчать, що таку первісну плазму можна створити не лише з надважких елементів, а й з набагато легших.

Що таке кварк-глюонна плазма

Сучасна теорія описує найраніший стан матерії у Всесвіті як кварк-глюонну плазму — надгарячу «суперсуміш» вільних кварків і глюонів. У цей момент температура була настільки високою, що протони й нейтрони ще не могли утворитися.

Лише коли космос почав розширюватися й охолоджуватися, кварки та глюони зв’язалися між собою, сформувавши протони й нейтрони — будівельні блоки всіх атомів. Відтворити ці умови в лабораторії означає краще зрозуміти, як саме виникла звична нам матерія.

Чому це відкриття стало несподіванкою

Довгий час фізики вважали, що кварк-глюонна плазма утворюється лише під час зіткнень дуже важких ядер, наприклад свинцю. Масивні ядра дають достатньо енергії та густини, щоб «розплавити» протони й нейтрони на окремі кварки та глюони.

Щоб перевірити цю уяву, дослідники вирішили влаштувати серію «малих» Великих вибухів, але вже з легшими елементами. Вони спрямували одне на одного ядра кисню-16 та неону-20, розігнані до колосальних енергій у Великому адронному колайдері.

Результати, опубліковані в журналі Physical Review Letters, вказують на те, що характерні ознаки кварк-глюонної плазми з’являються і в таких легких системах. Це означає, що первісний «суп» раннього Всесвіту можна отримати з набагато скромніших за масою інгредієнтів, ніж вважалося раніше.

Як читають «тінь» атомних ядер

Безпосередньо побачити сам момент зіткнення неможливо: усе відбувається за неймовірно короткий час. Натомість фізики аналізують частинки, які вилітають після удару, та їхній просторовий розподіл.

Співавтор роботи Ю Чжоу (You Zou), нині фізик Університету Меріленда, пояснює, що замість повільного вивчення ядер за низьких енергій команда «розбиває» їх на максимально можливих енергіях і відчитує їхню форму за відбитком, який вони залишають у потоці частинок.

Інший учасник дослідження, фізик Нільс Борівського інституту Еміль Горм Дальбек Нільсен (Emil Gorm Dahlbæk Nielsen), порівнює це з грою світла й тіні: ми не бачимо сам об’єкт, але за його тінню можемо відновити форму. Так само траєкторії частинок після зіткнення розкривають геометрію ядер на початку події.

Кисень, неон і «формат» вибуху

Аналіз показав, що зіткнення двох ядер кисню дає більш округлий малюнок розльоту частинок. Натомість удари між ядрами неону створюють анізотропний візерунок, схожий на форму кеглі для боулінгу.

Ці відмінності у «візерунках» підтверджують, що навіть легкі ядра можуть створювати умови, достатні для утворення кварк-глюонної плазми. Водночас це не означає, що кисень або неон обов’язково були присутні в перші миті після Великого вибуху. Йдеться радше про принципову можливість отримати такий стан матерії з легших систем.

Попри це, дослідники вважають, що наблизилися до розуміння того, які саме зіткнення частинок могли відбуватися в ранньому Всесвіті та які ядра могли відігравати ключову роль.

Наступний крок — ще легші ядра

У подальших експериментах команда планує використовувати ще легші ядра, наприклад гелій-4. Це дасть змогу перевірити, наскільки «мінімальною» може бути система, в якій все ще утворюється кварк-глюонна плазма, і водночас уточнити моделі сильної взаємодії, що зв’язує кварки всередині частинок.

Для Ю Чжоу особливо привабливо, що один і той самий експеримент дозволяє одночасно вивчати структуру атомних ядер і відтворювати умови найперших митей існування Всесвіту. За словами дослідника, ці два завдання виявилися набагато тісніше пов’язаними, ніж можна було очікувати.

Наука