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.

Геометрия столкновений протона, дейтрона, и гелия-3 с тяжелым ядром. Темно-синим цветом показаны предполагаемые «горячие зоны», крошечные капли кварк-глюонной плазмы, возникающие при ударе. Brookhaven National Laboratory

Кварк-глюонную плазму изучают на специальных ускорителях в столкновении тяжелых ядер большой энергии. Первые намеки на образование этого экзотического состояния вещества появились еще в начале 2000-х по результатам экспериментов в ЦЕРНе и окончательно подтвердились на американском коллайдере тяжелых ионов RHIC. С недавнего времени в игру вступил и Большой адронный коллайдер, который тоже иногда «балуется» тяжелыми ядрами, но здесь программа исследований не настолько специализированная, как на RHIC.

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).

Стадии, через которые проходит материя при столкновении двух ядер очень большой энергии. Adare et al

Там есть и этап кварк-глюонной плазмы, которая затем, расширившись и остыв, распадается на отдельные адроны. Их регистрирует детектор, но он неспособен просто так определить, родились они сразу в виде адронного газа или же прошли через стадию горячей жидкости. Для того, чтобы «увидеть» формирование кварк-глюонной плазмы, нужно изучить коллективные свойства разлетающихся адронов. Внутри горячей ядерной капельки должны быть настоящие гидродинамические течения, которые, после ее распада на адроны, проявляются в виде адронных эллиптических потоков и потоков более сложной формы.

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.

Величины v2 и v3, описывающие эллиптический и треугольный потоки адронов с разными поперечными импульсами в He3+Au столкновениях. Цветные кривые и полосы — предсказания разных моделей, учитывающих стадию кварк-глюонной плазмы. Adare et al.

В 2014 году на коллайдере RHIC прошел сеанс столкновений гелия-3 с ядрами золота. Детектор PHENIX зарегистрировал примерно полмиллиарда событий с большим числом рожденных частиц, что отвечает столкновениям лоб в лоб. Две ключевые величины, которые измерялись в этом эксперименте, это эллиптический и «треугольный» потоки адронов, которые характеризуются величинами v2 и v3. Теоретики предсказывали, что, когда гелий-3 ударяет всеми своими тремя нуклонами по тяжелому ядру, каждый удар порождает крошечную капельку кварк-глюонной плазмы.

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.

Автор: Игорь Иванов