Кислород и неон создали «микро-Большой взрыв» на Большом адронном коллайдере

Что произошло на Большом адронном коллайдере

Летом 2025 года физики впервые провели специальные серии столкновений пар лёгких ядер — кислорода-16 и неона-20 — на Большом адронном коллайдере (БАК). С 29 июня по 9 июля исследователи также изучали столкновения кислорода с протонами. Для столкновений кислород–кислород и неон–неон энергия в системе центра масс составила 5,36 ТэВ на пару нуклонов.

Главный результат эксперимента ALICE: даже такие сравнительно небольшие системы могут создавать быстро расширяющуюся среду с коллективным поведением, характерным для кварк-глюонной плазмы — сверхгорячего состояния материи, существовавшего в первые мгновения после Большого взрыва. Ранее наиболее убедительные исследования этого состояния обычно проводили в столкновениях тяжёлых ядер, прежде всего свинца.

Частицы двигались не случайно

После столкновения образуется поток множества частиц. Если бы они разлетались независимо друг от друга, распределение их направлений было бы в основном случайным. Но детектор ALICE зафиксировал согласованные, направленные закономерности — так называемый анизотропный поток.

Исследователи измерили два его компонента: эллиптический и треугольный потоки. Оба оказались заметными и менялись в зависимости от центральности столкновения, то есть от того, насколько точно ядра проходили друг через друга. Гидродинамические модели, учитывающие начальную геометрию ядер, смогли описать наблюдаемые закономерности. Это служит сильным свидетельством коллективной динамики в необычно малых системах.

Именно такое коллективное движение считается одним из центральных признаков поведения, ожидаемого от кварк-глюонной плазмы. Однако маленький размер систем одновременно усложняет интерпретацию: на результат могут влиять и другие физические эффекты. Поэтому корректнее говорить о признаках возникновения плазмоподобной коллективности, а не об окончательном доказательстве того, что каждое столкновение породило полностью сформированную плазму.

Почему форма неона оказалась важна

Кислород-16 сравнительно близок к округлой форме, поэтому он даёт удобную базовую точку для сравнения. Неон-20, напротив, в современных моделях описывается как вытянутое, или пролатное, ядро — его форму часто сравнивают с кеглей для боулинга.

Когда сталкиваются два ядра неона, их деформация может сильнее повлиять на направления разлёта частиц. В центральных столкновениях неон–неон эллиптический поток оказался сильнее, чем в сопоставимых столкновениях кислород–кислород. Это согласуется с предположением, что начальная форма ядер оставляет измеримый след в конечном движении частиц.

Иными словами, образовавшийся после столкновения поток работает как косвенный снимок ядер в момент удара. Такой подход важен не только для изучения кварк-глюонной плазмы. Он открывает дополнительный способ исследовать ядерную структуру — распределение протонов и нейтронов внутри ядра — наряду с традиционными низкоэнергетическими экспериментами и теоретическими расчётами.

Все ли эксперименты БАК подтвердили результат

Признаки коллективного поведения в данных лёгких ядер сообщили все четыре основные коллаборации БАК: ALICE, ATLAS, CMS и LHCb. CERN описал эти результаты как новые указания на то, что столкновения кислорода и неона могут создавать экстремальное состояние материи, близкое к тому, которое существовало в первые микросекунды Вселенной.

Такое совпадение результатов существенно усиливает общую картину. Но слово «указания» здесь принципиально важно. Наблюдаемые потоки поддерживают интерпретацию в пользу кварк-глюонной плазмы, однако сами по себе ещё не означают, что вопрос закрыт и альтернативные объяснения исключены.

Как меняется главный вопрос физиков

Результаты 2025 года смещают акцент исследования. Теперь учёные спрашивают не только, как ведёт себя кварк-глюонная плазма, но и насколько маленькой может быть система, в которой возникает подобная коллективная динамика. Кислород и неон дают новый промежуточный масштаб между столкновениями протонов и гораздо более крупных ядер, например свинца.

Сравнение округлого кислорода с деформированным неоном помогает разделить два эффекта, которые трудно различить по отдельности: свойства горячей среды и форму ядер, из которых она возникла. Это даёт более строгую проверку гидродинамических расчётов и моделей ядерной структуры.

Здесь встречаются два направления физики. Ядерная структура изучает геометрию обычных ядер при сравнительно низких энергиях, а эксперименты на БАК исследуют материю при экстремальных температурах и плотностях энергии. Столкновения лёгких ядер связывают эти масштабы: по движению частиц после удара можно проверять и исходную конфигурацию ядра, и поведение возникшей горячей среды.

Что будут искать дальше

Следующий этап — проверить, сохраняются ли коллективные закономерности при дальнейшем уменьшении размера системы, и определить минимальные условия, необходимые для появления кварк-глюонной плазмоподобной среды. Такой порог поможет уточнить модели деконфинированных кварков и глюонов, а также физику материи, существовавшей на самых ранних этапах истории Вселенной.

Пока вывод можно сформулировать осторожно, но однозначно: кислород и неон намного легче ядер, которые традиционно используют в физике тяжёлых ионов, однако их столкновения создают потоки частиц, в которых одновременно видны отпечаток ядерной геометрии и сильные признаки коллективной динамики, совместимой с кварк-глюонной плазмой.