На границе Швейцарии и Франции расположен Большой адронный коллайдер (БАК), самый мощный ускоритель частиц в мире. Его кольцо, достигающее 27 км в окружности, служит ареной для столкновения субатомных частиц, позволяя ученым исследовать основные компоненты Вселенной. Одним из самых захватывающих аспектов этих исследований является создание кварк-глюонной плазмы — состояния материи, которое существовало в первые мгновения после Большого взрыва.

Кварк-глюонная плазма — это уникальное состояние вещества, состоящее из свободных кварков и глюонов, которое ведет себя как идеальная жидкость. В этом состоянии кварки и глюоны освобождаются от своих обычных ограничений в протонах и нейтронах, что позволяет им течь легче, чем вода. Это состояние материи существовало в ранней Вселенной, но в настоящее время его можно создать только в лабораторных условиях, таких как БАК и Брукхейвенская национальная лаборатория в США.

Для создания кварк-глюонной плазмы ученые сталкивают тяжелые ионы, например, ионы свинца в БАК, с другими частицами. При этих высокоэнергетических столкновениях кварки и глюоны высвобождаются, создавая условия, схожие с теми, что существовали в первые мгновения после Большого взрыва. Однако, чтобы понять, как именно образуется кварк-глюонная плазма, ученые начали исследовать взаимодействие фотонов с ионами.

В рамках экспериментов в коллаборации ATLAS ученые столкнулись с неожиданным открытием: когда ионы свинца движутся с высокой скоростью, они создают электромагнитные поля, которые порождают фотоны. Эти фотоны могут сталкиваться с ионами свинца, и именно в результате этих столкновений возникают мельчайшие капли кварк-глюонной плазмы. Это открытие стало настоящим прорывом, поскольку ранее считалось, что только тяжелые ионы могут создать такое состояние материи.

Когда фотон взаимодействует с ионом, он может создавать кварки и антикварки, которые затем образуют промежуточные частицы, такие как ро-мезоны. Эти ро-мезоны, состоящие из кварков и антикварков, могут затем взаимодействовать с другими ионами, создавая условия, необходимые для формирования кварк-глюонной плазмы. Ученые заметили, что поток частиц после этих столкновений демонстрирует характерный эллиптический узор, который указывает на сильное взаимодействие кварков и глюонов — ключевой признак кварк-глюонной плазмы.

Исследования, проведенные физиками-теоретиками, подтвердили эти наблюдения. Они адаптировали существующие модели, описывающие столкновения тяжелых ионов, чтобы учесть новые данные о взаимодействиях фотонов. В результате расчеты показали, что эти столкновения могут действительно приводить к образованию сильно взаимодействующей жидкости, подтверждая возможность того, что мельчайшие капли кварк-глюонной плазмы образуются в результате фотонных столкновений.

Эти открытия открывают новые возможности для понимания кварк-глюонной плазмы и ее свойств. Открытие о том, что кварк-глюонная плазма может образовываться даже в таких необычных условиях, как столкновения фотонов и ионов, ставит под сомнение традиционные представления о материи и ее взаимодействиях.