Десятилетиями правило создания кварк-глюонной плазмы (КГП) — сверхгорячего супа из свободных кварков и глюонов, заполнявшего Вселенную в первые миллионные доли секунды, — было простым: берите самые тяжёлые ядра, какие есть. Конкретно свинец, который более чем в 200 раз тяжелее протонов, обычно используемых в экспериментах на БАК. Предполагалось, что только такие тяжеловесы способны создать колоссальное давление и жар — температуры, превышающие солнечные в 100 000 раз, — при которых протоны и нейтроны перестают держаться вместе и распадаются на составляющие их кварки и глюоны.

Оказывается, Вселенная, возможно, была экономнее. Спустя год после первых в истории столкновений кислорода на Большом адронном коллайдере (БАК) все четыре его крупных исследовательских коллаборации — ALICE, ATLAS, CMS и LHCb — сообщили о признаках того, что эта первичная форма материи может возникать при столкновениях ядер кислорода и неона. Да, кислорода и неона. Лёгких материалов. Ядер — участников, а не победителей.

Результаты бросают вызов давнему представлению о колоссальных силах, необходимых для создания столь экстремального вещества, и предлагают учёным новый способ исследовать условия, царившие в самые ранние моменты существования Вселенной.

Один из самых наглядных способов идентифицировать КГП — наблюдать, что происходит, когда энергичные кварки и глюоны пытаются пробиться сквозь неё. Двигаясь через чрезвычайно горячий и плотный материал, эти частицы теряют часть энергии — процесс, который учёные называют потерей энергии партонов, и удобная подсказка, что КГП образовалась. Коллаборация ATLAS чётко зафиксировала этот эффект, изучая пары струй частиц — концентрированных потоков, возникающих при выходе энергичных кварков и глюонов из столкновения, — рождённых в столкновениях кислород-кислород и неон-неон. Исследователи наблюдали различия в энергии между парными струями, указывающие на то, что некоторые частицы теряли энергию, проходя через окружающий материал. Эффект был особенно выражен при более прямых, лобовых (центральных) столкновениях, которые, как ожидается, создают больший объём плазмы, давая частицам больше материала для прохождения и вызывая большую потерю энергии. Предварительные результаты ATLAS это подтверждают: изучая заряженные частицы, отскакивающие в противоположном от фотонов направлении, исследователи обнаружили аналогичную связь между потерей энергии и степенью центральности столкновения ядер.

ALICE, CMS и LHCb искали тот же глубинный процесс иным подходом. Вместо того чтобы сосредоточиться в первую очередь на энергии струй, они изучили, как плазма, по-видимому, подавляет рождение определённых энергичных частиц. CMS обнаружила, что рождение заряженных частиц было подавлено как в столкновениях кислород-кислород, так и неон-неон по сравнению со столкновениями протон-протон — что согласуется с потерей энергии частицами внутри КГП и является дополнительным свидетельством того, что экзотический материал может образовываться в столкновениях с участием лёгких ядер. LHCb сообщила о ещё одной важной подсказке в отдельном исследовании, изучив частицы, содержащие очарованный кварк и более лёгкий кварк, и сравнив, насколько сильно их рождение подавлялось в столкновениях кислорода и неона. Подавление было более выраженным в более тяжёлых неоновых столкновениях — именно то поведение, которого учёные ожидали бы, если большие столкновения производят большие объёмы плазмы, заставляя частицы терять больше энергии при прохождении через неё.

Однако снижение рождения частиц не обязательно доказывает, что причина — потеря энергии; другие физические процессы потенциально могут давать похожие эффекты. Поэтому ALICE сравнила рождение нейтральных пионов, другого типа субатомных частиц, в столкновениях кислород-кислород и протон-кислород. Сравнение дало недвусмысленное доказательство потери энергии партонов в столкновениях кислород-кислород, укрепляя доводы в пользу того, что даже относительно небольшие ядерные столкновения могут создавать условия, связанные с КГП.

Исследователи также искали друго