Кварк-глюоновая плазма

Кварки и глюоны (последние служат переносчиками сильного взаимодействия), которые в нынешней "холодной" Вселенной заключены внутри протонов и нейтронов, на ранней стадии образования Вселенной еще слишком быстро двигались, чтобы соединиться между собой. Они находились в состоянии, которое называется кварк-глюонной плазмой (КГП). Цель эксперимента ALICE — найти и изучить ее.

Ученые думают, что КГП возможно еще существует сегодня в центрах нейтронных звезд, которые настолько плотные, что небольшой кусочек их вещества, с булавочную головку, должен весить как тысяча огромных самолетов. Даже если КГП действительно существует, то добраться до нее мы пока не можем. Чтобы представить первый момент зарождающейся Вселенной, ученые должны создать КГП в лаборатории. Для этого они сталкивают ионы, т. е. атомы, с которых "содраны" электроны, друг с другом при очень высоких энергиях, при этом нейтроны и протоны так сильно сжимаются между собой, что как бы "расплавляются".

Результаты экспериментов ЦЕРН 80-х и 90-х годов по расщеплению ионов кислорода, серы и свинца на стационарных мишенях подали некоторую надежду на то, что КГП может быть создана на короткое время до перехода в обычное вещество в результате охлаждения.

На ускорителе БАК ионы свинца будут сталкиваться "лоб в лоб" при энергиях в 300 раз выше, чем те, которых достигают сегодня в экспериментах ЦЕРН. Физики полагают, что для создания КГП необходимы именно такие высокие энергии, которые позволят экспериментаторам ALICE подробно изучить свойства КГП. Строящийся детектор ALICE будет настоящим произведением искусства, оптимальным образом приспособленным для решения этой задачи.

До начала проведения экспериментов с тяжелыми ионами в ЦЕРН мировое физическое сообщество получит данные подобных экспериментов из Брукхейвенской национальной лаборатории (БНЛ, США), где проведение этих работ уже начато в 2000 году.

Эти исследования должны восполнить промежуток между сегодняшними экспериментами и будущими на ускорителе БАК, давая возможность физикам обобщить полученные результаты для наиболее полного понимания вещества в состоянии КГП. Детектор ALICE строится с учетом приобретенного опыта в современных и предстоящих экспериментах с тяжелыми ионами и будет оптимальным образом приспособлен для поиска этих и других подобных явлений. В его сооружении сотрудничают 900 физиков из 77 институтов 28 стран мира.

Никто не может с абсолютной точностью сказать, что можно ожидать от перехода обычного вещества в состояние КГП. Теоретики предсказывают различные явления, например, нагрев вещества при этом переходе и затем его охлаждение.

В течение нескольких лет с помощью экспериментов ЦЕРН проводились поиски подобных явлений. Объединенные результаты 7 экспериментов на сверхпроводящем протонном синхротроне, представленные в 2000 году, показали, что КГП может быть получена в лабораторных условиях. Однако, вероятнее всего, лишь при расщеплении ионов свинца на свинцовых мишенях можно достичь температур вещества в состоянии КГП. На ускорителе БАК столкновение ионов свинца должно нагревать вещество до температур, при которых получение КГП станет обычным делом.

Когда сталкиваются два ядра, возникают новые частицы. Иногда среди них появляются частицы, состоящие из тяжелых "очарованных" кварков и антикварков. Количество таких J/y частиц обычно имеет тенденцию к росту с увеличением массы ядер, участвующих во взаимодействиях. Но когда ядра свинца сталкиваются "лоб в лоб" при огромных энергиях, происходит нечто совершенно отличное: число возникающих J/y — частиц резко уменьшается и сравнимо с их числом при столкновении легких ядер или даже при столкновениях, где ядра свинца взаимодействуют вскользь. Это может означать, что возбужденное состояние очарованных кварков и антикварков в среде КГП препятствует их соединению между собой, тем самым, оставляя мало шансов на выживание J/y — частиц.

Так как многие частицы, образовавшиеся при столкновении тяжелых ионов, распадаются на электронные пары, это можно использовать для изучения процессов, происходящих после столкновений. Расчеты показывают, что в веществе в состоянии КГП некоторые частицы, распадающиеся на электронные пары, должны быть легче. Это способствует их более легкому возникновению, и, соответственно, этих частиц должно быть больше; кроме того, должно возникать больше электронных пар. Именно это подтвердили результаты экспериментов ЦЕРН по расщеплению ионов серы и свинца на золотых мишенях.

Еще один фактор, указывающий на то, что КГП могла быть ненадолго сформирована, был обнаружен во время подсчета количества образовавшихся частиц, содержащих, так называемые, "странные" кварки. Ожидается, что внутри КГП должно быть большое количество странных кварков, поэтому их подсчет даст информацию об эволюции столкновений и о том, была ли образована КГП. Эксперименты реально показывают, что количество странных кварков возрастает при росте температуры столкновений, но пока еще не ясно, можно ли это рассматривать как убедительное свидетельство образования КГП.
Основная задача детектора ALICE — регистрация огромного числа частиц, которые возникают в результате столкновений. В сегодняшних экспериментах ЦЕРН уровень энергий таков, что при каждом столкновении возникает около 1500 частиц. Эксперименты на ускорителе БАК доведут это количество до 50000. Большая часть этих столкновений должна быть зарегистрирована и идентифицирована, и только потом может возникнуть ясная картина происходящего, — возможно, будет найден ключевой сигнал, указывающий на различные стадии преобразования обычного вещества в КГП и обратно.