В физике элементарных частиц редко говорят о нарушении фундаментальных законов. Но что, если сигнал сумеет обогнать частицы, которые сами несутся почти на пределе возможного — на 99,995% от скорости света? Именно такую задачу решили сотрудники Релятивистского коллайдера тяжелых ионов (РКТИ), и их метод не нарушает физику, а изящно её использует.

Релятивистский коллайдер — не просто очередной ускоритель. Его миссия — воссоздать условия, царившие в первые мгновения после Большого взрыва. Внутри двух огромных колец длиной около четырёх километров в противоположных направлениях мчатся пучки ионов — ядер атомов золота. Внутри двух огромных колец длиной около четырёх километров в противоположных направлениях мчатся пучки ионов — ядер атомов золота, подобно тому как пучок протонов разогнали до скорости света в сегменте LHC. Каждый пучок состоит из отдельных сгустков, в каждом из которых миллиарды частиц. В шести точках пересечения колец эти сгустки сталкиваются, порождая крошечные, невероятно горячие и плотные сгустки материи — своего рода миниатюрные модели ранней Вселенной. В шести точках пересечения колец эти сгустки сталкиваются, порождая крошечные, невероятно горячие и плотные сгустки материи — своего рода миниатюрные модели ранней Вселенной, где можно исследовать в капле первоматерии нашли сверхзвуковые ударные волны.

Но есть загвоздка. По мере движения ионы в пучке нагреваются, расстояние между ними растёт, и сгустки становятся менее плотными. А чем рыхлее сгусток, тем меньше столкновений происходит в точке пересечения, и тем скуднее поток данных, ради которых всё и затевалось. Чтобы сжать и охладить пучок, физики применили метод стохастического охлаждения — технологию, которая раньше работала только с непрерывными пучками, но никогда не использовалась в коллайдерах, где частицы летят сгустками.

Как заставить сигнал обогнать собственный пучок

Идея охлаждения проста, но её реализация на релятивистских скоростях превращается в головоломку. Специальный датчик — пикап — измеряет отклонения частиц от идеальной траектории и передаёт эти данные корректирующему устройству — кикеру, который находится впереди по курсу. Кикер, получив сигнал, воздействует на пучок электрическим полем, поджимая и охлаждая его. Но как передать информацию от пикапа к кикеру, если пучок летит почти со скоростью света? Сигнал не может двигаться быстрее, однако физики нашли две хитрости.

Первый трюк — геометрический. Микроволновой сигнал отправляется по хорде — отрезку, соединяющему две точки окружности кольца. Пучок же вынужден следовать по дуге, более длинному пути, и сигнал успевает его обогнать. Второй трюк ещё остроумнее: сигнал передают по оптоволокну в противоположную сторону, навстречу пучку. Тогда кикер срабатывает не на текущем, а на следующем круге, когда пучок возвращается. По сути, информация обходит частицы, используя разницу маршрутов и направлений.

Первые результаты и планы на будущее

Пока система протестирована лишь частично — только продольное охлаждение в одном из колец. Но даже этого хватило, чтобы увеличить количество столкновений ионов на 20 процентов. А расчёты обещают куда более впечатляющий прогресс: когда заработает полная система — продольное и поперечное охлаждение в обоих кольцах, — число столкновений может вырасти на 500 процентов. Это не просто прирост статистики; это шанс заглянуть глубже в тайны кварк-глюонной плазмы и рождения Вселенной. это шанс заглянуть глубже в тайны кварк-глюонной плазмы и рождения Вселенной, ведь мы — дым Большого взрыва: как возникла Вселенная.

К 2011 году учёные планировали ввести систему стохастического охлаждения в полном объёме. Метод, который они разработали, не опровергает теорию относительности, а напоминает: иногда, чтобы обогнать свет, достаточно найти короткий путь.