Даже в самых горячих искусственных огненных шарах Вселенной материя находит способ незаметно перестроить себя после того, как хаос утихнет.
Физики в ЦЕРНЕ обнаружили, что хрупкие атомные ядра не выдерживают экстремальных температур — они формируются позже, после того, как все остынет. Этот прорыв объясняет большинство наблюдаемых дейтронов и может помочь расшифровать сигналы космических лучей и подсказки о темной материи. Автор: AI/ScienceDaily.com
Ученые теперь выяснили, как образуются дейтроны в экстремальных условиях. Протоны и нейтроны, необходимые для создания этих крошечных ядер, высвобождаются, когда распадаются чрезвычайно короткоживущие состояния частиц с высокой энергией (так называемые резонансы). После освобождения частицы могут объединяться, образуя дейтроны. Этот же процесс также объясняет, как образуются антидейт-роны, состоящие из антивещества. Эти результаты были опубликованы в журнале Nature.
На Большом адронном коллайдере ЦЕРНа (БАК) при столкновении протонов температура более чем в 100 000 раз выше, чем в ядре Солнца. В течение многих лет исследователи не понимали, как такие хрупкие частицы, как дейтроны и антидейт-роны, могут существовать при такой высокой температуре. Дейтрон состоит всего из одного протона и одного нейтрона, удерживаемых вместе относительно слабым взаимодействием. При таких условиях такое легкое атомное ядро должно распадаться почти мгновенно. Несмотря на это, эксперименты продолжали их обнаруживать. Исследователи показали, что примерно 90 процентов наблюдаемых (анти) дейтронов образуются в результате этого недавно идентифицированного процесса, а не после первоначального взрыва.
Новое понимание сильного взаимодействия
Профессор физики элементарных частиц из университета ТУМ Лаура Фаббиетти, член Группы передового опыта ORIGINS и SFB1258, подчеркивает важность этого открытия. «Наш результат является важным шагом на пути к лучшему пониманию «сильного взаимодействия» — той фундаментальной силы, которая связывает протоны и нейтроны вместе в атомном ядре. Измерения ясно показывают: легкие ядра образуются не на горячей начальной стадии столкновения, а позже, когда условия становятся несколько прохладнее и спокойнее».
Доктор Максимилиан Малейн, научный сотрудник кафедры плотной и странной адронной материи Школы естественных наук TUM, добавляет, что полученные результаты имеют более широкое значение. «Наше открытие важно не только для фундаментальных исследований в области ядерной физики. Легкие атомные ядра также образуются в космосе, например, при взаимодействии космических лучей. Они могут даже дать ключ к разгадке все еще загадочной темной материи. Благодаря нашим новым открытиям, модели формирования этих частиц могут быть улучшены, а космические данные интерпретированы более надежно».
ЦЕРН и Большой адронный коллайдер
ЦЕРН (Европейский совет ядерных исследований) — крупнейший в мире центр исследований в области физики элементарных частиц. Расположенный недалеко от Женевы, на границе Швейцарии и Франции, он является домом для БАК, подземного кольцевого ускорителя протяженностью 27 километров. Внутри БАК протоны сталкиваются друг с другом почти со скоростью света. Эти столкновения воссоздают условия, подобные тем, что были вскоре после Большого взрыва, достигая температур и энергий, которых сегодня больше нигде нет. Это позволяет ученым изучать материю на самом базовом уровне и проверять фундаментальные законы природы.
АЛИСА и рождение материи
Одним из ключевых экспериментов БАК является ALICE (Эксперимент на большом ионном коллайдере), который направлен на изучение сильного взаимодействия, удерживающего атомные ядра вместе. ALICE работает как огромная камера, способная отслеживать и реконструировать до 2000 частиц, образующихся при одном столкновении. Таким образом, исследователи стремятся воссоздать самые ранние моменты существования Вселенной и узнать, как из горячей смеси кварков и глюонов в конечном итоге образовались стабильные атомные ядра и, в конечном счете, вся материя.
Исследуя космическое происхождение и фундаментальные силы
Кластер передового опыта ORIGINS изучает, как возникла Вселенная и ее структуры — от галактик и звезд до планет и основных компонентов жизни. Его исследования проходят путь от мельчайших частиц ранней Вселенной до развития биологических систем. Это включает в себя поиск окружающей среды, которая могла бы поддерживать жизнь за пределами Земли, и получение более глубокого представления о темной материи. В мае 2025 года в рамках Стратегии повышения квалификации Германии был одобрен второй этап финансирования ORIGINS, предложенный TUM и Мюнхенским университетом Людвига-Максимилиана (LMU).
Центр совместных исследований «Нейтрино и темная материя в астро-физике и физике элементарных частиц» (SFB 1258) концентрируется на фундаментальных вопросах физики, уделяя особое внимание слабому взаимодействию, одной из четырех фундаментальных сил природы. Третий период финансирования программы SFB1258 начался в январе 2025 года.