Очарованные частицы помогут исследовать раннюю Вселенную

0

Российские ученые совместно с коллегами по международному научному проекту NA61/SHINE провели в CERN первые прямые измерения очарованных частиц в области предполагаемого порога образования кварк-глюонной плазмы — материи ранней Вселенной. Исследование поможет яснее понять, какие процессы происходили при формировании Вселенной во время Большого взрыва. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ). Статья опубликована в журнале EPJ Web of Conferences.

Весь окружающий мир состоит из материи, образовавшейся в результате различных процессов, происходивших во Вселенной миллиарды лет назад. Развитие техники ускорения частиц позволило физикам провести детальные исследования структуры этой материи и создать Стандартную модель — общую физическую картину строения вещества. На ее основе были созданы многие высокие технологии — от ядерной энергетики до методик адронной терапии онкологических заболеваний и диагностических систем для медицины.

Согласно Стандартной модели, в состав атомных ядер входят протоны и нейтроны, которые состоят из трех легких кварков двух типов, называемых «верхний» и «нижний». Помимо них, существуют еще два семейства тяжелых кварков, которые могут рождаться только в результате высокоэнергетических процессов. Масса этих кварков настолько велика, что для их высвобождения нужны плотности энергии в миллионы раз больше, чем при горении или взрыве. Именно такие сверхвысокие энергии достигаются в столкновениях частиц на ускорителях CERN, что дает возможность проводить уникальные исследования.

Чтобы различать кварки между собой, физики придумали разные названия для кварков второго семейства: термины «странность» и «очарование». Например, некоторые частицы, содержащие странный кварк, всегда рождаются парами, что первоначально вызвало недоумение исследователей, и название прижилось.

В столкновениях ионов свинца на ускорителях в CERN удается «расплавить» атомные ядра и получить вещество в особом состоянии, температура которого в 100 тысяч раз выше, чем в центре Солнца. Считается, что именно в этом состоянии находилась Вселенная в первые микросекунды после Большого взрыва. Вещество получило название кварк-глюонной плазмы, так как оно состоит из свободных кварков и глюонов. Последние являются переносчиками взаимодействия между кварками.

«Исследование кварк-глюонной плазмы представляет собой сегодня одну из фундаментальных физических задач. Среди методик исследований наиболее востребованы те, которые позволяют фактически проводить «томографию» кварк-глюонной плазмы. Важную роль играют частицы под названием D-мезоны, содержащие один очарованный кварк. Такая комбинация называется открытым очарованием. Наблюдать за этим явлением очень сложно: вероятность рождения D-мезонов крайне мала, и они практически сразу распадаются. Чтобы зарегистрировать их, выделяют продукты их распада среди всех частиц, образующихся в столкновении ядер, что является чрезвычайно сложной задачей. Использование в эксперименте NA61/SHINE ранних разработок СПбГУ для эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере позволило провести первые измерения открытого очарования в столкновениях ядер как раз при тех энергиях, где ожидается образование кварк-глюонной плазмы», — рассказал Григорий Феофилов, доцент и заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий СПбГУ.

Особенность эксперимента заключается в необходимости обеспечить высокую эффективность регистрации заряженных частиц, вылетающих из остывающей кварк-глюонной плазмы. Для этого требуется минимальное количество вещества на пути таких частиц. Уникальные технологии сверхлегких систем поддержки и охлаждения детекторов и электроники, ранее созданные в СПбГУ, позволили провести эксперимент. По полученным сигналам детекторов реконструируются траектории движения и точки рождения вылетевших частиц; далее на основе этой информации идет поиск D-мезонов. Это сложная задача, так как количество очарованных частиц меньше, чем всех остальных.

Фундаментальные разработки по физике имеют множество практических применений. Например, они могут быть использованы в ядерной медицине или при анализе больших данных для массовых обследований населения. Для авиации и космонавтики представляют интерес технологии изготовления панелей охлаждения электроники и углекомпозитных систем, способных выдерживать большие нагрузки.