Исследовательская группа STAR на ускорителе Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) зафиксировала признаки образования необычной материи в столкновениях ядер кислорода — самой маленькой системе, когда-либо источавшей сигналы кварк-глюонной плазмы (QGP). По данным, опубликованным в Physical Review Letters, высокоэнергетические потоки частиц теряют часть своей энергии при прохождении через плотную среду, образованную в таких столкновениях. Это явление, известное как «обтекание струёй» (jet quenching), служит важным индикатором наличия QGP. Впервые подобный эффект зафиксирован не только в столкновениях крупных ядер, но и в столкновениях кислорода, и это происходит при существенно меньших энергиях, чем ранее требовалось. Подобные результаты устанавливают новую нижнюю границу условий, при которых может формироваться материя, напоминающая первобытную вселенную. Источником данных служат эксперименты STAR на RHIC, где кислородные столкновения рассматривались в 2021 году на энергии 200 GeV.

Как объясняют участники проекта, цель эксперимента была проверить: существует ли сигнальная лампочка для QGP в очень маленьких системах, и можно ли увидеть «обтекание» у ди-джетов, которые образуются близко к краю столкновения. В ходе анализа команда разработала методику выявления сконцентрированных потоков высокоэнергетических частиц и подсчёта количества частиц выше заданного порога энергии. Результаты демонстрируют, что 20-процентное подавление относится к соответствующим частицам, что говорит о взаимодействии с плотной смесью кварков и глюонов. При этом эффект оказался менее выраженным, чем в столкновениях золота, что ожидаемо для более мелкой системы кислород-кислород. Но подавление достаточно ясно демонстрирует присутствие сигнатур QGP и в малой системе.

Учёные подчёркивают, что кислород как вид ядер имеет уникальные преимущества: это единственный, помимо протон-протонных столкновений, случай, исследованный и в RHIC, и на Большом адронном коллайдере (LHC). Это позволяет выполнить «яблочно-яблочное» сравнение между двумя межсооружениями, работающими на разных энергиях столкновений. В исследованиях на LHC кислородовые столкновения впервые зафиксировали как коллективное движение и сигналы об обтекании струёй, что поддерживает выводы о возможности образования QGP в сравнительно маленьких системах при более высоких энергиях. В RHIC же энергия была около 200 GeV, тогда как LHC работает заметно выше.

По словам руководителя анализа Ли Ии с Шандуньского университета, исследование призвано сузить диапазон условий, при которых может существовать QGP, и лучше понять, какие параметры — размеры системы и энергия столкновения — являются критическими для появления этой экзотической материи. Участники отмечают, что поиск «самой маленькой» системы, в которой сохраняется чистая сигнатура jet quenching, остаётся неразрешённой задачей, и кислородные столкновения дают уникальную возможность продолжить этот поиск. Исследователи настаивают на том, что, даже если эффект подавления меньший, он остаётся сильным признаком образования плазмы.

Завершив необычную серию экспериментов, учёные RHIC говорят, что данные по кислороду предоставляют ещё одну «золотую» возможность сравнить результаты между двумя крупными центрами — RHIC и LHC — и понять зависимость сигнатур QGP от энергии столкновения. Ожидается, что предстоящие данные, собранные STAR и детектором sPHENIX в рамках последующих запусков, позволят глубже исследовать границы того, как мала может быть система, при которой сохраняются признаки первичной материи вселенной. Авторы подчёркивают, что новое знание важно для реконструкции поведения материи в первые микросекунды после Большого взрыва.