Эксперимент Большого адронного коллайдера по созданию кварка

На протяжении 30 лет физики всего мира пытались реконструировать, как образовались животворящие частицы в самой ранней Вселенной. ALICE — их самая мощная работа.

Рахул Рао | Опубликовано 31 августа 2023 г., 6:00 по восточному времени

ОБЫЧНО, Создание Вселенной — это не задача Большого адронного коллайдера (БАК). Большая часть тяжелейших научных исследований (например, выделение и отслеживание бозонов Хиггса) на крупнейшем в мире ускорителе частиц происходит, когда он запускает скромные протоны почти со скоростью света.

Но примерно на месяц ближе к концу каждого года БАК меняет боеприпасы с протонов на пули, которые примерно в 208 раз тяжелее: ионы свинца.

Когда БАК сталкивает эти ионы друг с другом, ученые могут — если они все правильно продумали — увидеть мимолетную капельку Вселенной, подобной той, которая прекратила свое существование через несколько миллионных долей секунды после Большого взрыва.

Это история кварк-глюонной плазмы. Возьмите атом, любой атом. Удалите его вращающиеся электронные облака, чтобы обнажить его ядро, атомное ядро. Затем мелко нарежьте ядро ​​на его основные компоненты — протоны и нейтроны.

Когда физики впервые расщепили атомное ядро ​​в начале 20 века, это было пределом их возможностей. Протоны, нейтроны и электроны сформировали всю массу Вселенной — ну, это плюс скопления короткоживущих электрически заряженных частиц, таких как мюоны. Но расчеты, примитивные ускорители частиц и космические лучи, поражающие атмосферу Земли, начали обнаруживать дополнительный зверинец эзотерических частиц: каонов, пионов, гиперонов и других, которые звучат так, как будто они наделяют инопланетян психическими способностями.

Представление такого количества основных ингредиентов казалось довольно неэлегантным со стороны вселенной. Физики вскоре выяснили, что некоторые из этих частиц вовсе не были элементарными, а представляли собой комбинации еще более мелких частиц, которые они назвали словом, частично вдохновленным «Поминками по Финнегану» Джеймса Джойса: кварки.

Кварки бывают шести разных «разновидностей», но подавляющее большинство наблюдаемой Вселенной состоит всего из двух: верхних кварков и нижних кварков. Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка; нейтрон, два вниз и один вверх. (Остальные четыре, в порядке возрастания тяжести и неуловимости: странные кварки, очаровательные кварки, красивые кварки и топ-кварк.)

На этом список ингредиентов заканчивается. В нашем мире обычно невозможно разделить протон или нейтрон на кварки; в большинстве случаев кварки не могут существовать сами по себе. Но к 1970-м годам физики придумали обходной путь: нагревать предметы. В точке, которую ученые называют температурой Хагедорна, эти субатомные частицы превращаются в высокоэнергетический суп из кварков и еще более мелких частиц, которые их склеивают: глюонов. Ученые назвали этот суп кварк-глюонной плазмой (КГП).

Это заманчивый рецепт, потому что, опять же, кварки и глюоны обычно не могут существовать сами по себе, и восстановить их из более крупных частиц, которые они создают, сложно. «Если я дам вам воду, очень сложно будет определить свойства [атомов водорода и кислорода]», — говорит Бедангадас Моханти, физик из Национального института научного образования и исследований Индии и ЦЕРН. «Аналогично я могу дать вам протоны, нейтроны, пионы… но если вы действительно хотите изучить свойства кварков и глюонов, они вам нужны в коробке, бесплатно».

Это не тот рецепт, который можно попробовать в домашней духовке. В единицах обычного мира температура в адронной системе составляет около 3 триллионов градусов по Фаренгейту — в 100 тысяч раз выше, чем в центре Солнца. Лучшим инструментом для этой работы является ускоритель частиц.

Но подойдет не любой ускоритель частиц. Вам нужно усилить свои частицы достаточной энергией. И когда ученые приступили к созданию КГП, БАК был не более чем мечтой о далеком будущем. Вместо этого у ЦЕРН был более старый коллайдер, занимавший всего лишь четверть окружности БАКа: суперпротонный синхротрон (SPS).