Физики не понимали, как легкие ядра не разрывает экстремально высокими температурами. Оказалось, что они образуются не в самом сердце столкновения.
Во время столкновения частиц в объеме Большого адронного коллайдера (БАК) могут создаваться температуры, в 100 тысяч раз превышающие температуру в центре Солнца. Они настолько высоки, что должны разрывать связи в ядрах атомов.
Тем не менее легкие атомные ядра и их «двойники» из антиматерии выходят из области столкновений целыми. Физики до сих пор не знали, как это возможно. Коллаборация ALICE составила описание происходящих с легкими ядрами процессов на основе экспериментальных данных. Результаты научной работы опубликованы в журнале Nature.
Исследователи ALICE изучали дейтроны (связанные протон и нейтрон, ядро атома дейтерия) и антидейтроны (антипротон и антинейтрон), родившиеся во время высокоэнергетических столкновений протонов на БАК. Они обнаружили свидетельства того, что почти 90 процентов дейтронов и антидейтронов образовались не напрямую в столкновениях, а в результате последующего ядерного синтеза из частиц, рожденных в столкновении. Одна из образующих дейтрон частиц появлялась при распаде короткоживущей частицы.
Участники коллаборации измерили импульсы дейтронов и пионов — частиц, состоящих из кварк-антикварковой пары. Они обнаружили корреляцию между импульсами пионов и дейтронов: это указывает на то, что пион и один из элементов дейтрона (протон или нейтрон) на самом деле появились вследствие распада короткоживущей частицы.
Эта короткоживущая частица, дельта-резонанс (Δ-резонанс), распадается примерно за одну триллионную долю триллионной доли секунды на пион и нуклон (либо протон, либо нейтрон). Затем нуклон может слиться с другими соседними нуклонами с образованием легких ядер, таких как дейтрон.
Этот ядерный синтез происходит на небольшом расстоянии от точки столкновения, в более холодной среде, что дает свежесозданным ядрам гораздо больше шансов на выживание. Эти результаты наблюдали как для частиц, так и для античастиц. На основе этого физики сделали вывод, что один и тот же механизм управляет формированием дейтронов и антидейтронов.
«Эти результаты представляют собой веху в нашей области исследований. Они восполняют пробел в нашем понимании того, как ядра формируются из кварков и глюонов, и дают важный материал для следующего поколения теоретических моделей в физике», — рассказал Марко ван Левен (Marco van Leeuwen), представитель эксперимента ALICE.
Открытие ученых может быть важным для астрофизики и космологии. Легкие ядра и антиядра образуются при взаимодействиях космических лучей с межзвездной средой, а также могут создаваться в процессах с участием темной материи.
Новые данные эксперимента ALICE дают экспериментальную основу для моделирования формирования легких ядер в космосе. Создавая детальные модели, физики могут лучше интерпретировать и анализировать данные о космическом излучении и искать темную материю.