Учёные, наконец, выяснили, как в невероятно экстремальных условиях, возникающих при столкновениях частиц, образуются хрупкие ядра дейтерия, известные как дейтроны. Это решение давней загадки о том, как такие нестабильные структуры могут выживать в среде, в сотни тысяч раз более горячей, чем ядро Солнца. Оказалось, что протоны и нейтроны, необходимые для сборки дейтрона, высвобождаются при распаде сверхкороткоживущих высокоэнергетических состояний частиц, называемых резонансами. Затем эти частицы объединяются. Этот же процесс объясняет и рождение антидейтронов из антиматерии.
Открытие было сделано на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, где столкновения протонов создают температуру, при которой хрупкий дейтрон (состоящий всего из одного протона и одного нейтрона, слабо связанных между собой) должен был бы мгновенно разрушиться. Однако эксперименты стабильно фиксировали его присутствие. Новый анализ данных показал, что примерно 90% наблюдаемых дейтронов и антидейтронов рождаются именно описанным способом — из продуктов распада резонансов, а не "выживают" после первоначального катаклизма.
Как пояснила физик из Технического университета Мюнхена профессор Лаура Фаббьетти, это открытие — важный шаг к пониманию сильного взаимодействия, фундаментальной силы, которая удерживает протоны и нейтроны вместе в атомном ядре. Измерения чётко указывают, что лёгкие ядра образуются не на горячей начальной стадии столкновения, а позже, когда среда остывает и успокаивается. Это полностью снимает кажущееся противоречие между теорией и экспериментальными данными.
Полученные результаты имеют значение далеко за пределами фундаментальной ядерной физики. Лёгкие атомные ядра также образуются в космических условиях, например, при взаимодействии космических лучей — потоков высокоэнергетических заряженных частиц, в основном протонов и ядер. Они способствуют образованию лёгких ядер, таких как литий, бериллий и бор, через процесс спаллации, когда, сталкиваясь с более тяжёлыми ядрами межзвёздной среды, вызывают их фрагментацию. Этот процесс является основным источником этих лёгких элементов в современной Вселенной, дополняя первичный нуклеосинтез после Большого взрыва.
Более точные модели формирования ядер, построенные на основе новых данных, позволят лучше интерпретировать астрономические наблюдения и, возможно, даже найти ключи к разгадке природы таинственной тёмной материи. Понимание процессов образования дейтронов в коллайдере помогает точно калибровать детекторы и проверять теоретические модели сильных ядерных взаимодействий. Это позволяет лучше предсказывать фоновые процессы в экспериментах по поиску тёмной материи, что повышает точность выделения возможных редких сигналов от её частиц. Кроме того, такие данные важны для моделирования условий ранней Вселенной, где могли формироваться первые ядра, что связано с космологическими аспектами тёмной материи.
ЦЕРН, крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий, предоставляет уникальную возможность для таких исследований. Его 27-километровый кольцевой ускоритель — БАК — сталкивает протоны почти со скоростью света, воссоздавая условия, царившие во Вселенной через доли секунды после Большого взрыва. Эксперимент ALICE, один из ключевых детекторов коллайдера, действует как гигантская камера, способная отслеживать до 2000 частиц за одно столкновение, чтобы изучать, как из первичной плазмы кварков и глюонов рождались стабильные ядра.
Данная работа тесно связана с более масштабными проектами по изучению истоков мироздания. Например, кластер передовых исследований ORIGINS, чей второй этап финансирования был утверждён в мае 2025 года, исследует путь от элементарных частиц ранней Вселенной до галактик, звёзд и жизни. Дополнительные изыскания ведёт коллаборация SFB 1258, сосредоточенная на вопросах нейтрино, тёмной материи и слабого взаимодействия, что подчёркивает комплексный подход науки к раскрытию самых глубоких тайн Вселенной.
Источник: Large Hadron Collider finally explains how fragile matter forms