Български принос в ALICE разкрива механизъм за образуване на леки ядра

В експеримента ALICE в ЦЕРН български изследователи участват в откриването на механизъм, който обяснява как при екстремни температури и в много кратки времеви интервали се формират леки ядра, като деутерона. Темата обсъди д-р Димитър Михайлов от Физическия факултет на СУ „Св. Св. Климент Охридски“ в предаването „Футуризъм“ с водещ Антон Груев.

Кратко обяснение на явлението

ALICE изучава материята при условия, близки до тези непосредствено след Големия взрив — около микросекунда след него. При високоенергийни сблъсъци на протони или тежки йони в Големия адронен колайдер се създава кварк-глуонна плазма. От тази плазма следва бърза хадронизация, при която кварките и глуоните оформят протони, неутрони и по-леки ядра.

Дълго време беше загадка как в такава гореща среда — при температури от порядъка на трилиони градуси — могат да се появят устойчиви свързани системи като деутерона, който би трябвало да се разпадне. Анализът на корелациите между отделните частици позволи на екипа с българско участие да предложи обяснение за този феномен.

Ролята на резонансите и делта резонанса

Ключовата идея е, че формирането на деутерона не става мигновено в най-горещата зона. Наличието на резонанси забавя процеса, позволявайки образуването на ядрата в по-благоприятни условия. Специално внимание д-р Михайлов отделя на т.нар. делта резонанс — нестабилна частица с относително дълъг живот, която може да напусне най-горещата област и да се разпадне по-късно в протон или неутрон.

При този закъснял разпад се появяват нуклоните в среда с по-ниска температура и плътност, където те могат по-лесно да се свържат помежду си и да формират деутерон, който достига до детекторите на ALICE.

Значение за космическите изследвания и тъмната материя

Откритието има важно приложение извън лабораторията: то помага да се обясни наблюдаваният излишък от по-тежки елементи в високоенергийните космически лъчи. Без такъв механизъм е трудно да се проследи как точно се формират тези елементи при екстремни процеси в космоса.

Освен това резултатите са значими за търсенията на тъмната материя. Тъй като тъмната материя се познава главно чрез гравитационното ѝ въздействие и съставлява около 85% от материята във Вселената, важно е да се моделират правилно фоновите процеси, които пораждат частици и антипартици, очаквани в космическите експерименти.

„Ключовото е, че трябва да знаем колко антиматерия можем да очакваме“, посочва д-р Михайлов. Наличието на обяснен механизъм за формиране не само на деутерона, но и на антидеутерона, подпомага по-точното изчисление на очакваните количества антидеутерон в космическите детектори, включително експерименти, извършвани на Международната космическа станция.

Бъдещи ускорители и следващи стъпки

В текста се споменава, че CERN планира изследвания за бъдещ кръгов ускорител — тунел с дължина 90,7 км, който евентуално може да започне работа през 2047 г. Проектът все още е в проучвателна фаза и се разглеждат различни варианти, включително мионен колайдер. Предвижда се евентуално двуфазно изграждане: първо сблъсъци между електрони и позитрони за създаване на фабрика за Хигс бозони, а след това адронни сблъсъци при още по-високи енергии.

Д-р Михайлов посочва, че необходимостта от по-големи колайдери произтича от стремежа да се достигне по-висока енергия на сблъсъците — колкото по-голяма енергия, толкова по-тежки и редки частици могат да се създават и регистрират. Той използва метафората, че при висока скорост е по-трудно да останеш на пътя — същото важи и за елементарните частици.

Планирани изследвания в ALICE

В краткосрочна перспектива ALICE ще провери дали хелият се образува чрез сходен механизъм, както деутеронът. В дългосрочен план целта остава да се намерят границите на приложимост на Стандартния модел — търсене на явления, при които моделът вече не описва наблюденията коректно. Именно това е една от основните мотивиращи идеи за бъдещи експерименти и за разработката на по-мощни ускорители.