Эксперимент ALICE

    Эксперимент ALICE на Большом Адронном Коллайдере в CERN направлен на исследование первичного состояния материи, которое существовало в первые мгновения жизни Вселенной.
    В течение 20-го века было накоплено достаточно подтверждений и доказательств того факта, что наша Вселенная и все, что она содержит, произошло от изначального Большого Взрыва (Big Bang). Дальнейшее расширение и охлаждение Вселенной дало начало материи, из которой сформировались все структуры, наблюдаемые нами сейчас, от атома до галактик.
    В течение первых мгновений после Большого взрыва первичная материя прошла через состояние, известное какая Кварк-Глюонная Плазма (КГП) – очень горячая и плотная смесь частиц, названных кварками и глюонами. Затем, через 10 микросекунд после Большого Взрыва, КГП “замерзла” и образовала протоны и нейтроны, из которых состоят ядра атомов. На сегодняшний день кварки и глюоны остаются заключенными внутри протонов и нейтронов. Как бы то ни было, материя, сходная с КГП, может существовать в центре нейтронных звезд, плотность которых так велика, что булавочная головка такого вещества содержит больше материи, чем Великая Пирамида в Египте.
    Ученые, работающие над экспериментом ALICE, будут использовать ускоритель частиц высоких энергий в CERN, так называемый Большой Адронный Коллайдер, чтобы создать КГП в лабораторных условиях, путем столкновения пучков тяжелых ядер. Столкновение сожмет и нагреет протоны и нейтроны в ядрах, чтобы заставить их “расплавиться” обратно в КГП. Чем тяжелее сталкивающиеся ядра и чем больше их энергия, тем выше шансы образования КГП. Вот почему ученные ALICE выбрали свинец, один из самых широко распространенных тяжелых элементов с 208 протонами и нейтронами. В программу ALICE также включены и эксперименты с более легкими ядрами.

Рис. 3. Столкновение двух релятивистских ядер

    На рис. 3 показано столкновение двух ядер (они на рисунке выглядят не как сферы, а в виде плоских дисков, приобретя такую форму за счет лоренцева сжатия). Теория предсказывает, что переход к состоянию кварк-глюонной плазмы наступит по достижении плотности энергии ~2 ГэВ/Фм³. Для сравнения, плотность энергии в нормальном ядре 0.17 ГэВ/Фм³. При превышении нормальной ядерной плотности больше, чем в 10 раз может наступить фазовый переход в состояние кварк-глюонной плазмы. Последняя отличается от нормальной материи тем, что кварки и глюоны в ней являются свободными (тогда как в нормальной материи имеет место явление конфайнмента, т.е. ни кварки, ни глюоны свободно не существуют).

• Ядра на подлёте друг к другу. Из-за огромных скоростей, близких к световым, происходит их лоренцево сжатие в продольном направлении, и поэтому они выглядят как плоские диски.
• Начальная фаза столкновения. Происходят жёсткие столкновения, создаётся огненный сгусток экстремально возбуждённой материи. При условии, что превышена критическая плотность энергии (> 2 ГэВ/Фм³) или, другими словами, превышена критическая температура (200 МэВ), происходит фазовый переход в кварк-глюонную плазму. Из сгустка вылетают только фотоны, для которых длина свободного пробега много больше размеров сгустка.
• Расширение и охлаждение сгустка. При понижении температуры до критической происходит обратный переход из кварк-глюонной плазмы в обычную адронную материю. На всех этапах этой эволюции продолжают вылетать рождающиеся фотоны. Адроны, имеющие длину свободного пробега значительно меньше размеров сгустка, испытывают перерассеяния и меняют свои характеристики в ходе эволюции сгустка.
• Завершающая фаза эволюции сгустка: размеры сгустка становятся больше длины свободного пробега для сильного взаимодействия. Все взаимодействия прекращаются, характеристики адронов больше не меняются (состояние системы "замораживается"). Начинается разлёт адронов (часть из них или продукты их распадов попадают детекторы)

История Кварк-Глюонной Плазмы

    Материя современной Вселенной состоит из атомов, которые содержат ядра, составленные из протонов и нейтронов и окруженные электронным облаком. Эти протоны и нейтроны в свою очередь состоят из трех элементарных частиц, названных кварками и связанными друг с другом другими частицами, названными глюонами. Эта связь настолько прочна, что кварки не могут вырваться наружу. Даже если попытаться выбить кварк из этих составных частиц грубой силой, то эти усилия приведут только к созданию других частиц, также составленных из кварков, которые связываются друг с другом глюонами.
    Как бы то ни было, современная теория кварков и глюонов, названная квантовой хромодинамикой, говорит, что при очень больших плотностях энергии протоны и нейтроны теряют свои отличия друг от друга. Это может произойти при температурах, превышающих в 100000 раз температуру в центре Солнца. При таких больших плотностях энергии кварки и глюоны перестают быть связанными с частицами, которые они составляют, и создают материю без таких связей, известную как КГП, где они могут перемещаться свободно.
    Этот процесс освобождения от связей похож на более привычные процессы перехода между различными состояниями материи, например, когда лед при нагревании превращается в воду, а затем в пар, если не прекращать нагревать ее. Свойства этих фаз (твердого тела, жидкости и газа), в которых вода существует в природе, изучены уже в значительной мере. Известно, что изменение фазы, или, иначе говоря, фазовый переход, происходит при определенной температуре, которая называется критической.
    Аналогично ученые изучают различные фазы, в которых может существовать материя Вселенной, и фазовые переходы, которые она испытала с момента ее рождения. Когда Вселенная была очень горячей и плотной, на протяжении начальных стадий Большого Взрыва материя находилась в форме КГП. Только когда температура Вселенной опустилась ниже критической температуры “замерзания”, или заточения кварков и глюонов в ядрах, впервые образовались сложные частицы такие, как протоны, нейтроны и атомные ядра.
    Эксперименты в CERN направлены на попытку воспроизведения КГП в форме крошечных горячих и плотных огненных шаров, сформировавшихся в процессе столкновений между тяжелыми ядрами. Детектор ALICE запишет все события, следующие в процессе расширения и остывания каждого из этих маленьких Больших Взрывов, наблюдая за тем, как КГП дает начало более привычным формам материи, наполняющей сегодняшнюю Вселенную.
    Эксперименты на СуперПротонном Синхротроне (СПС) обеспечили первые свидетельства тому факту, что КГП может образоваться в ядерных столкновениях но очень небольшой промежуток времени перед тем, как остынуть и превратиться в обычную материю.