Секрет физики элементарных частиц: что выяснили учёные ЦЕРН?

Исследователи из Технического университета Мюнхена, работающие в ЦЕРН, совершили революционное открытие, которое проливает свет на процесс образования дейтронов.

_{Эксперименты на Большом адронном коллайдере ЦЕРН показывают, как удивительно хрупкие атомные ядра могут образовываться в результате экстремальных столкновений частиц, которые на короткое время воссоздают условия, более горячие, чем ядро Солнца. Исследование показывает, что дейтроны и их аналоги из антивещества образуются не в самые бурные моменты, а возникают позже в результате распада короткоживущих состояний частиц по мере остывания системы. Фото: Stock}

Получен ответ на ещё один давний вопрос в физике элементарных частиц. Учёные, работающие с экспериментом ALICE на Большом адронном коллайдере (БАК) ЦЕРН, под руководством исследователей из Мюнхенского технического университета (TUM), непосредственно наблюдали за тем, как в результате столкновений элементарных частиц образуются некоторые из простейших атомных ядер и их эквиваленты из антивещества. Эти ядра, известные как дейтроны и антидейтроны, состоят всего из двух строительных блоков, что делает их идеальными объектами для изучения фундаментальных сил природы.

В основе каждого атомного ядра лежит сильное взаимодействие — сила, которая связывает протоны и нейтроны. В ходе нового исследования учёные обнаружили, что протоны и нейтроны, необходимые для образования дейтронов, не присутствуют в системе с самого начала столкновения. Вместо этого они возникают в результате распада чрезвычайно короткоживущих состояний высокоэнергетических частиц (так называемых резонансов), а затем объединяются в лёгкие ядра. Тот же процесс происходит с антивеществом. Результаты исследования были опубликованы в ведущем журнале Nature.

Эксперименты проводятся в ходе столкновений протонов на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, где температура кратковременно повышается более чем в 100 000 раз по сравнению с температурой в центре Солнца. В таких экстремальных условиях ожидалось, что такие хрупкие объекты, как дейтроны и антидейтроны, распадутся почти мгновенно. В конце концов, дейтрон состоит всего из одного протона и одного нейтрона, удерживаемых вместе относительно слабой силой связи.

Несмотря на это, в прошлых экспериментах неоднократно наблюдались эти лёгкие ядра. Новые измерения показывают, почему это происходит: около 90 % наблюдаемых (анти)дейтронов образуются в результате этого резонансного распада и появляются позже, когда условия начинают меняться.

Лучшее понимание Вселенной

Специалист по физике элементарных частиц из Технического университета Мюнхена проф. Лаура Фаббиетти, исследовательница из кластера передового опыта ORIGINS и SFB1258, подчеркивает: «Наш результат — важный шаг на пути к лучшему пониманию «сильного взаимодействия» — фундаментальной силы, которая связывает протоны и нейтроны в атомном ядре. Измерения ясно показывают: легкие ядра образуются не на горячей начальной стадии столкновения, а позже, когда условия становятся несколько более прохладными и спокойными».

_{Схематическое изображение процесса образования дейтронов. Источник: ALICE/TUM}

Доктор Максимилиан Малейн, научный сотрудник кафедры Фаббьетти по изучению плотной и странной адронной материи в Школе естественных наук Технического университета Мюнхена, объясняет: «Наше открытие важно не только для фундаментальных исследований в области ядерной физики. Легкие атомные ядра также образуются в космосе — например, при взаимодействии космических лучей. Они могут даже дать представление о все еще загадочной темной материи. Благодаря нашим новым открытиям можно усовершенствовать модели образования этих частиц и более надежно интерпретировать космические данные».

Дополнительная информация

ЦЕРН (Европейский совет по ядерным исследованиям) — крупнейший в мире исследовательский центр в области физики элементарных частиц. Он расположен на границе между Швейцарией и Францией недалеко от Женевы. Его центральным элементом является Большой адронный коллайдер — подземный кольцевой ускоритель длиной 27 километров. В нём протоны сталкиваются почти со скоростью света. Эти столкновения воссоздают условия, схожие с теми, что существовали сразу после Большого взрыва, — температуры и энергии, которых не бывает в повседневной жизни. Таким образом, исследователи могут изучать структуру материи на самом фундаментальном уровне и определять, какие законы природы там действуют.

Среди экспериментов на Большом адронном коллайдере ALICE (A Large Ion Collider Experiment) специально разработан для изучения свойств так называемого сильного взаимодействия — силы, которая удерживает протоны и нейтроны в атомных ядрах. ALICE работает как гигантская камера, способная точно отслеживать и реконструировать до 2000 частиц, образующихся при каждом столкновении. Цель состоит в том, чтобы воссоздать условия, существовавшие во Вселенной в первые доли секунды, и тем самым лучше понять, как из смеси кварков и глюонов впервые образовались стабильные атомные ядра и, в конечном счёте, материя.

Кластер передового опыта ORIGINS занимается исследованием формирования и эволюции Вселенной и ее структур — от галактик, звезд и планет до мельчайших элементов жизни. ORIGINS прослеживает путь от мельчайших частиц в ранней Вселенной до появления биологических систем. В качестве примеров можно привести поиск условий, которые могли бы способствовать возникновению внеземной жизни, и более глубокое изучение темной материи. В мае 2025 года вторая фаза финансирования кластера, совместно предложенная TUM и Мюнхенским университетом Людвига-Максимилиана (LMU), была одобрена в рамках Стратегии повышения конкурентоспособности федерального правительства Германии и правительств земель.

Совместный исследовательский центр «Нейтрино и тёмная материя в астрофизике и физике элементарных частиц» (SFB 1258) занимается фундаментальной физикой, в которой центральное место занимает слабое взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе. Третий период финансирования SFB1258 начался в январе 2025 года.

Ссылка:

«Наблюдение образования дейтронов и антидейтронов в результате резонансного распада нуклонов» от The ALICE Collaboration, 10 декабря 2025 г., Nature. DOI: 10.1038/s41586-025-09775-5