Эксперименты с тяжелыми ионами на БАК в ЦЕРН улучшили понимание ранней Вселенной. В совместных экспериментах на установках ALICE, ATLAS и CMS (Compact Muon Solenoid) получены новые данные о природе материи, которая, вероятно, существовала в первые моменты ее образования. Новые открытия, в основном, базируются на четырехнедельной работе БАК с ионами свинца в 2011 г., в течение которой было собрано в 20 раз больше данных, чем в 2010 г.

Сразу после Большого взрыва, кварки и глюоны – базовые блоки материи – не были заключены в составных частицах, таких как протоны или нейтроны, как это наблюдается сегодня. Они двигались свободно в состоянии материи, известном как кварк-глюонная плазма. Столкновение ионов свинца в БАК на миг воссоздали условия, подобные тем, которые были на этапе ранней Вселенной.

Эксперименты с миллиардами этих столкновений позволили сделать более точные измерения свойств материи в таких экстремальных условиях.

«Область физики тяжелых ионов является основной для изучения свойств материи на стадиях ранней Вселенной, одного из ключевых вопросов фундаментальной физики, для решения которых и был построен БАК», – сказал генеральный директор ЦЕРН Рольф Хойер (Rolf Heuer).

Эксперименты на ALICE предоставили новые результаты по всем аспектам эволюции высокоплотной сильно взаимодействующей материи в пространстве-времени.

Важным было изучение «очарованных частиц», которые содержат очарованный и антиочарованный кварки. Очарованные кварки в 100 раз более тяжелые, чем верхний и нижний, которые образуют нормальную материю, существенно замедляются при прохождении через кварк-глюонную плазму, предоставляя ученым уникальный инструмент для исследования их свойств.

Физики, работающие на ALICE, сообщили об указании на то, что поток плазмы настолько сильный, что тяжелые очарованные частицы тормозятся им. При этом есть указания, что их энергия уменьшается до тепловой, что влечет рекомбинацию очарованного и антиочаровнного кварков в чармоний – частицу, состоящую из антикварка и очарованного кварка.

В 1980-х распад чармония было предложено рассматривать как прямую сигнатуру образования кварк-глюонной плазмы, и о первых указаниях этого распада сообщалось при экспериментах с фиксированной мишенью на протонном суперсинхротороне (SPS) в 2000 г. Более высокие энергии, достижимые на БАК, впервые сделали возможным изучение подобных сильно связанных состояний более тяжелых прелестных кварков.

Высказывались гипотезы, что в зависимости от их энергии связи, некоторые из этих состояний будут «расплавляться» до состояния плазмы, тогда как другие «выживут» при экстремальных температурах. Эксперимент на CMS ясно указал на ожидаемое последовательное подавление состояний кваркониума (пары кварк-антикварк).

«Мы вошли в новую фазу, в которой мы не только можем наблюдать явление кварк-глюонной плазмы, но можем также делать высокоточные измерения, используя разнообразные детекторы, – сказал Фабиола Джанотти (Fabiola Gianotti), представитель ATLAS. – Эти исследования внесут значительный вклад в наше понимание ранней Вселенной».