Кварк-глюонная плазма — раскалённый «суп» из кварков и глюонов, заполнявший Вселенную в первые микросекунды после Большого взрыва, — похоже, умеет появляться там, где её не ждали. Новый анализ данных эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере показал: характерные признаки этого экзотического состояния материи возникают не только при столкновениях тяжёлых ионов свинца, но и в куда более лёгких системах — протон-протонных и протон-свинцовых. Исследователи из коллаборации ALICE, сравнив паттерны частиц в трёх типах столкновений, пришли к выводу, который звучит почти дерзко: размер сталкивающихся систем не определяет, родится ли кварк-глюонная плазма.

Неожиданное сходство в разных масштабах

До сих пор физики считали, что для создания кварк-глюонной плазмы нужны экстремальные условия: огромная плотность энергии и температура, достижимые лишь при лобовых столкновениях тяжёлых ядер — например, свинца. Протоны казались слишком лёгкими, а их столкновения — слишком «холодными», чтобы расплавить ядерную материю до состояния, где кварки и глюоны свободно движутся, не запертые внутри протонов и нейтронов. Однако в данных ALICE за 2016–2018 годы обнаружилась картина, которая ломает эту логику.

Главный маркер кварк-глюонной плазмы — так называемый анизотропный поток. Когда два ядра сталкиваются не строго лоб в лоб, образующаяся огненная сфера имеет форму миндалины, и давление в ней распределено неравномерно. В результате частицы, рождающиеся при остывании плазмы, разлетаются преимущественно в определённом направлении, а не равномерно во все стороны. Именно такой коллективный поток физики много лет наблюдали в столкновениях свинца — и именно его теперь увидели в столкновениях протонов.

От кварков к частицам: тонкая разница

Есть и более тонкий признак, который исследователи называют «массовым упорядочиванием». При остывании кварк-глюонной плазмы кварки объединяются в адроны: барионы состоят из трёх кварков, мезоны — из двух. Барионы тяжелее мезонов, и в экспериментах со свинцом давно замечено: более тяжёлые барионы после разлёта движутся более согласованно, «концентрированнее», чем лёгкие мезоны. Это естественно для жидкости, которая расширяется как единое целое: тяжёлые частицы сильнее чувствуют коллективный толчок.

Новый анализ показал: тот же эффект виден и в протон-свинцовых столкновениях, и даже в протон-протонных. Барионы и мезоны там ведут себя так же, как в свинцовых столкновениях, только в меньшем масштабе. По словам исследователей, это указывает на то, что во всех трёх типах столкновений формируются похожие расширяющиеся кварковые системы. Разница лишь в размере «капли» плазмы, а не в её природе.

Кислородный мост между крайностями

Чтобы заполнить пробел между лёгкими протонами и тяжёлым свинцом, в конце 2025 года ALICE впервые провела сеанс столкновений ядер кислорода. Кислород значительно легче свинца, но заметно тяжелее протона — это идеальная «промежуточная точка» для проверки гипотезы о том, что кварк-глюонная плазма возникает в системах любого размера, если хватает энергии.

Анализ данных кислородных столкновений ожидается позже в этом году. Если и там проявятся те же паттерны анизотропного потока и массового упорядочивания, это станет сильным аргументом в пользу универсальности механизма. А если картина окажется иной — физикам придётся искать более тонкие критерии, отделяющие «настоящую» плазму от коллективных эффектов в малых системах.

Что это меняет в нашем понимании Вселенной

Открытие заставляет пересмотреть представления о том, где проходит граница между обычной ядерной материей и кварк-глюонной плазмой. Если плазма может возникать даже в столкновениях двух протонов, значит, переход в это состояние не требует гигантских объёмов — важна лишь локальная плотность энергии. Это, в свою очередь, влияет на модели ранней Вселенной: в первые мгновения после Большого взрыва материя была повсюду, и понимание того, как она вела себя в малых масштабах, помогает точнее восстановить её эволюцию.

Кстати, недавнее исследование о том, как масса определяет свойства галактик, тоже касалось универсальных закономерностей в разных масштабах — от формы до химического состава. Масса диктует всё: 200 галактик раскрыли единый закон. Здесь, в мире элементарных частиц, похоже, действует схожая логика: ключевые параметры системы могут определяться не её размером, а более фундаментальными свойствами.

Пока же физики ждут результатов анализа кислородных столкновений. Если данные подтвердят гипотезу, это будет означать, что кварк-глюонная плазма — не экзотика, доступная лишь гигантским ускорителям тяжёлых ионов, а универсальное состояние материи, которое можно изучать в самых разных условиях. И тогда вопрос «где заканчивается плазма?» сменится другим: «где она начинается?»