Форма ядра диктует, как течёт плазма

Пара крошечных атомных ядер сталкивается на скорости, близкой к световой, и на долю секунды строительные блоки материи растворяются в сверхгорячую жидкость, которая течёт не так, как что-либо ещё в известной Вселенной. Учёные из ЦЕРН впервые измерили, как именно течёт эта материя, и узоры совпали с крошечной каплей той самой сверхгорячей жидкости, чьё поведение определяют сами ядра.

Физики, работающие с детектором ALICE на Большом адронном коллайдере, опубликовали первые в истории измерения того, как материя растекается наружу при столкновениях кислород-кислород и неон-неон, при энергии 5,36 триллиона электронвольт на нуклонную пару. Их результаты подтверждают давнюю гипотезу: даже в этих чрезвычайно малых столкновениях образуется сверхгорячая жидкость из кварков и глюонов — частиц, из которых состоят протоны и нейтроны, — и течёт она так, как диктует физическая структура каждого ядра.

Давно известно, что столкновения массивных ядер, например свинца, порождают мимолётное состояние материи — кварк-глюонную плазму, которая, как считается, заполняла всю Вселенную в первые микросекунды после Большого взрыва. Эта плазма ведёт себя как почти лишённая трения жидкость. Может ли то же самое происходить при столкновениях куда меньших ядер — оставалось открытым вопросом. Новые результаты, опубликованные в Physical Review Letters и отмеченные редакцией как Editors’ Suggestion, дают веские доказательства: может.

Два крошечных ядра — две очень разные формы

Часть интриги этого эксперимента кроется в том, что физики уже знают о внутренней архитектуре этих двух ядер. Кислород-16, состоящий из 16 протонов и нейтронов, внутри напоминает трёхмерную треугольную пирамиду: частицы сгруппированы в кластеры по четыре. Неон-20 в ядерном масштабе больше похож на кеглю для боулинга — к ядру, похожему на кислородное, прикреплён дополнительный кластер. Эти формы получены из продвинутых расчётов ядерной структуры, а не из буквальных снимков самих ядер.

Когда два ядра сталкиваются лоб в лоб, эта форма отпечатывается на сгустке горячей материи, рождённом в момент удара. По мере расширения и остывания огненного шара исходные геометрические особенности заставляют материю течь сильнее в одних направлениях, чем в других. Измеряя, в каких направлениях разлетаются частицы, учёные с помощью моделей могут восстановить исходную форму — огненный шар становится косвенным окном в структуру ядра.

Миллиарды столкновений, тщательно подсчитанные

Для этих измерений коллаборация ALICE использовала данные коротких сеансов с лёгкими ионами на БАК в июле 2025 года. Около трёх миллиардов столкновений кислород-кислород и 400 миллионов столкновений неон-неон прошли проверку качества, необходимую для анализа, — набор данных достаточно велик, чтобы надёжно уловить тонкие сигналы потока, за которыми охотилась команда.

Частицы от каждого столкновения отслеживались с помощью внутренней трековой системы ALICE и большого цилиндрического детектора, который фиксирует траектории частиц в газонаполненном объёме. Аналитики измеряли два типа потока: эллиптический поток, отражающий, насколько овальной была начальная зона столкновения, и треугольный поток, отражающий более нерегулярные геометрические особенности, вызванные флуктуациями. Оба измерялись по закономерностям в направлениях, в которых группы частиц стремятся двигаться вместе.

Чтобы исключить ложные сигналы, команда требовала, чтобы пары частиц приходили из хорошо разделённых областей детектора. Возможные ошибки от выбора параметров анализа оценивались варьированием критериев отбора и оказались в пределах нескольких процентов.

Неон течёт сильнее кислорода, и форма ядра объясняет почему

Один из самых ясных результатов — различие в эллиптическом потоке между двумя системами столкновений в самых центральных событиях. Столкновения неон-неон демонстрируют более сильный эллиптический поток, чем кислород-кислород, причём отношение неонового потока к кислородному достигает максимума около 1,08, а затем снижается. Исследователи связывают эту разницу с более сильной деформацией ядра неона, которую модели описывают как форму кегли: она отпечатывает на начальном огненном шаре более выраженную овальную геометрию, чем более симметричная пирамидальная структура кислорода.

Треугольный поток рассказывает другую историю. Он связан в основном со случайными вариациями в расположении протонов и нейтронов внутри ядра в момент столкновения, а не с общей формой ядра. Его поведение в разных типах столкновений совпадает с тем, что наблюдалось в других малых системах. Тем не менее сравнение кислорода и неона намекает, что ядерная структура важна и здесь: авторы связывают меньшее отношение треугольного потока в центральных столкновениях с тетраэдрической, пирамидальной конфигурацией кислорода.

Оба типа потока также показали закономерности, никогда ранее не наблюдавшиеся в протон-протонных или протон-свинцовых столкновениях на БАК. Включая специфический тренд в четырёхчастичном измерении эллиптического потока — сигнатуру потока, управляемого геометрией, которая отсутствует в меньших системах столкновений.

Когда модели знают форму ядра, они угадывают

Компьютерные модели, включающие детальные реалистичные ядерные структуры, воспроизвели экспериментальные данные. Это свидетельство того, что ядерная геометрия играет центральную роль даже в самых малых высокоэнергетических столкновениях. Кстати, мы уже писали о том, что признаки кварк-глюонной плазмы находили даже в столкновениях протонов — кварк-глюонная плазма родилась в столкновении двух протонов. Теперь же выясняется, что не только сам факт образования плазмы, но и характер её течения зависит от формы сталкивающихся ядер.

Физики из коллаборации ALICE на Большом адронном коллайдере впервые измерили, как материя течёт при столкновениях ядер кислорода и неона. Результаты подтверждают: даже в таких малых столкновениях образуется кварк-глюонная плазма — сверхгорячая жидкость, существовавшая в первые микросекунды после Большого взрыва. Форма ядер напрямую влияет на характер течения этой плазмы.

Неожиданный поворот в физике столкновений

Когда команда ALICE сравнила свои измерения с теоретическими предсказаниями из модели Trajectum, которая учитывает детальную ядерную структуру, согласие оказалось сильным для обеих систем столкновений и множества измерений потока. Предсказания, построенные на первопринципных расчётах ядерной структуры, воспроизвели и тренды, и величины измерений потока в широком диапазоне геометрий столкновений. Второй подход, основанный на энергетически минимизированных ядерных конфигурациях, тоже показал разумное согласие, особенно в нецентральных столкновениях.

Согласно статье, такой уровень согласия «равен или превосходит точность полного байесовского извлечения параметров в предыдущих исследованиях тяжёлых ионов» с гораздо более крупными ядрами. Авторы также отмечают, что давняя проблема теоретических описаний протон-протонных столкновений — противоречивый результат измерения четырёхчастичного потока — «не наблюдается в столкновениях лёгких ионов». Это дополнительно поддерживает интерпретацию, что здесь работает настоящее коллективное поведение жидкости.

Неожиданный параметр

Сравнение двух систем столкновений наложило новые ограничения на тонкий параметр: эффективный размер области внутри отдельного протона или нейтрона, по которой распределены его кварки и глюоны. Измерения отдали предпочтение меньшему значению — примерно 0,1–0,2 фемтометра (один фемтометр — одна квадриллионная метра), что согласуется с прежними предположениями в литературе.

Из этой работы вырастает то, к чему физики шли годами: способ использовать высокоэнергетические столкновения не только для изучения сверхгорячей плазмы, но и для извлечения информации о внутренней структуре ядер, которую трудно получить иначе. Сталкивая ядра с хорошо понятной теоретически формой и сравнивая две системы одинакового размера с известными различиями в форме, команда смогла с необычной ясностью выделить эффект ядерной геометрии.

Лёгкие ядра как новый инструмент

Столкновение лёгких ядер на экстремальных энергиях и наблюдение за тем, как течёт их обломки, становится мощным новым способом зондировать внутреннюю структуру атомных ядер и подтверждать, что даже крошечная капля самой ранней материи Вселенной может вести себя как почти идеальная жидкость.

Кстати, мы уже писали о том, что кварк-глюонная плазма родилась в столкновении двух протонов — тогда признаки экзотического состояния материи нашли даже в протонных столкновениях. Новая работа с лёгкими ионами усиливает эту картину: коллективное поведение жидкости проявляется в системах разного размера.

Ограничения и тонкости

Хотя результаты убедительны, авторы признают важные оговорки. Одно существенное ограничение связано со сравнением отношений систем (отношение потока неон-неон к потоку кислород-кислород) с теоретическими моделями. Обе модели на основе реалистичной ядерной структуры слегка переоценивают измеренное отношение эллиптического потока между двумя системами в центральных столкновениях. Авторы предполагают, что расхождение может быть вызвано несовершенным моделированием состояния сразу после столкновения, включая параметры, управляющие тем, как откладывается энергия и как ведёт себя материя в самые первые моменты до достижения теплового равновесия. Эти ранние времена до конца не поняты. Кроме того, в статье отмечается, что неизвестно, влияет ли распределение глюонов при ультрарелятивистских энергиях на ядерную структуру способами, не учтёнными низкоэнергетическими моделями, что может вносить систематические различия между теорией и данными. Авторы также отмечают, что оценка центральности — метод классификации того, насколько лобовым было столкновение, — даёт примерно 10-процентный эффект на одну наблюдаемую потока при другом определении, хотя основные результаты устойчивы к этому выбору.

Финансирование и публикация

Исследование провела коллаборация ALICE в ЦЕРН. Финансирование предоставили многие национальные и международные агентства из десятков стран, включая Национальный научный фонд и Управление ядерной физики Министерства энергетики США, а также агентства из Армении, Австрии, Азербайджана, Бразилии, Болгарии, Китая, Хорватии, Кубы, Чехии, Дании, Финляндии, Франции, Германии, Греции, Венгрии, Индии, Индонезии, Италии, Японии, Мексики, Нидерландов, Норвегии, Перу, Польши, Южной Кореи, Румынии, Словакии, ЮАР, Швеции, Швейцарии, Таиланда, Турции, Украины и Великобритании. Европейский исследовательский совет, Чешский научный фонд и Немецкое исследовательское общество (DFG) также поддержали отдельные группы. ЦЕРН профинансировал публикацию в открытом доступе. Конфликтов интересов в статье не отмечено.

Статья называется «Evidence of Nuclear Geometry-Driven Anisotropic Flow in O+O and Ne+Ne Collisions at √sNN = 5.36 TeV». Авторы — I.J. Abualrob и др. (коллаборация ALICE), полный список авторов опубликован в конце статьи в Physical Review Letters. Журнал: Physical Review Letters, том 137, статья 082301 (2026). DOI: 10.1103/gymp-vp87. Получена 18 сентября 2025 года, опубликована 17 августа 2026 года. Данные, подтверждающие исследование, открыто доступны через HEPData по адресу https://www.hepdata.net/record/ins2967353.