Космическое дело: физики узнали, что происходит в центре нейтронных звезд
Международная исследовательская группа, в которую входят ученые Курчатовского института и Объединенного института ядерных исследований, впервые изучила взаимодействие протонов и гиперонов — частиц, которые могут существовать только в составе нейтронных звезд. Специалисты поставили эксперимент на Большом адронном коллайдере и разработали особый метод для измерения силы взаимодействия частиц. Результаты помогли понять структуру нейтронных звезд.
Звезда родилась
Максимальная измеренная масса нейтронной звезды составляет две массы солнца при радиусе не более 15 км. Поэтому в центре нейтронной звезды огромная плотность — в несколько раз выше, чем у атомного ядра. Там могут происходить взаимодействия, для изучения которых на Земле нужно строить мощные ускорители, такие как Большой адронный коллайдер.
Использовав этот инструмент, международная группа ученых подтвердила одну из теорий о таких взаимодействиях. Специалисты провели эксперимент со стабильными и нестабильными частицами — протонами и гиперонами. Результаты работы опубликованы в научном журнале Nature.
Протон входит в состав атома ядра — это частица с относительно большой массой и положительным зарядом. Среднее время жизни протона в три с половиной раза больше возраста Вселенной, поэтому их называют стабильными. Гипероны — тоже тяжелые частицы, их масса сравнима с массой протона, однако они существуют миллиардные доли секунды, поэтому их называют нестабильными. Такая особенность делает изучение взаимодействий гиперонов с другими частицами сложнейшей задачей. Создать пучок гиперонов на обычных ускорителях невозможно.
— Чтобы измерить взаимодействие гиперонов и протонов, нужно сначала создать условия, в которых бы рождались эти короткоживущие частицы, — отметил начальник лаборатории кварковой материи Курчатовского ядерно-физического комплекса Дмитрий Блау. — Реализовать это возможно, например, в эксперименте ALICE на Большом адронном коллайдере.
ALICE (A Large Ion Collider Experiment) — один из четырех основных экспериментов на Большом адронном коллайдере в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН). Здесь специалисты исследуют ядерную материю при экстремально высоких плотностях энергии и температурах. В этих условиях она переходит в субстанцию, напоминающую жидкость или плазму. Именно в таком состоянии, согласно современным космологическим представлениям, находилась наша Вселенная в первые микросекунды своего существования.
В ходе эксперимента на Большом адронном коллайдере протоны разгоняли до максимально достижимой на данный момент энергии, равной 13 ТэВ. В результате их столкновений рождались новые частицы — вторичные протоны и гипероны.
Энергия стабильности
Для исследования взаимодействия частиц ученые разработали и применили метод, основанный на технике интерферометрии. Он заключается в наложении друг на друга волн, чаще всего электромагнитных, — это дает информацию об очень малых смещениях объектов.
Изначально такой подход использовали для измерения размеров звезд, пояснил Дмитрий Блау. Позже его стали применять в физике высоких энергий, и за методом закрепилось название фемтоскопия, поскольку размер изучаемых объектов (гиперонов и протонов) соответствовал фемтометрам — это 10-15 м. Такой метод позволяет увидеть число получаемых в процессе столкновения частиц и силу их взаимодействия в зависимости от разности их импульсов. Специалистам удалось адаптировать фемтоскопию для измерения параметров взаимодействия между гиперонами и вторичными протонами.
— Мы сравнили результаты, полученные в эксперименте ALICE, с расчетами, проведенными на суперкомпьютере, — рассказал старший научный сотрудник лаборатории физики сверхплотной барионной материи НИЦ «Курчатовский институт» — ИТЭФ Сергей Киселев. — Общая картина взаимодействия протона и кси-гиперона совпала с предсказаниями теоретической модели. Это дополнительно подтверждает надежность метода фемтоскопии для исследования процессов, происходящих на субатомном уровне.
Новый подход открывает целое направление в физике высоких энергий.
— Эксперимент ALICE в последнее время дает множество информации для публикаций, — рассказала ведущий научный сотрудник лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ Людмила Малинина. — В первые годы мы измеряли вещи, которые хорошо известны, то есть набирали статистику и исследовали, насколько хорошо работает прибор. Но последние 5–6 лет проводятся совершенно новые исследования — измеряются те параметры, которые ранее никто не изучал. И мы можем быть уверены в своих результатах, так как уже доказали, что в «простых вещах» не ошибаемся. Конечно, это дает множество данных для формирования фундаментальных знаний в космологии.
В работе наряду с зарубежными коллегами приняли участие специалисты НИЦ «Курчатовский институт», НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ, НИЦ «Курчатовский институт» — ИТЭФ, НИЦ «Курчатовский институт» — ИФВЭ, ОИЯИ, СПбГУ, ИЯИ РАН и РФЯЦ ВНИИЭФ.
