Эксперимент ALICE в ЦЕРН объяснил выживание легких ядер в экстремальных столкновениях

Ученые, задействованные в эксперименте ALICE на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН, опубликовали в журнале Nature в декабре 2025 года результаты, которые разрешают давнюю загадку формирования легких атомных ядер, таких как дейтроны и антидейтроны, в условиях экстремально высоких температур столкновений.

Исследование, координируемое исследователями из Технического университета Мюнхена (TUM), заполнило пробел в понимании сильного взаимодействия — фундаментальной силы, удерживающей протоны и нейтроны в атомных ядрах. Столкновения на БАК достигают температур, превышающих температуру в ядре Солнца более чем в сто тысяч раз. В таких условиях хрупкие структуры, состоящие всего из двух нуклонов, как дейтроны, должны были бы мгновенно разрушаться.

Ключевой вывод заключается в том, что протоны и нейтроны, необходимые для образования дейтронов, не присутствуют в начальной фазе высокоэнергетического столкновения. Вместо этого они возникают в результате распада кратковременных высокоэнергетических состояний частиц, известных как резонансы, в частности, $\Delta(1232)$-резонанса. Этот резонанс распадается на нуклон (протон или нейтрон) и пион за чрезвычайно короткое время, составляющее около одной триллионной доли триллионной доли секунды.

Затем эти вновь образованные частицы вступают в реакцию ядерного синтеза на более поздней стадии, когда система столкновения остывает. Профессор Лаура Фабьетти из TUM отметила, что измерения подтверждают формирование легких ядер в условиях, которые становятся «несколько прохладнее и спокойнее», а не в первоначальной горячей фазе. Измерения, проведенные детектором ALICE, показали, что примерно 90 процентов наблюдаемых (анти)дейтронов формируются именно по этому пути распада резонансов.

В работе, в которой также участвовал Национальный институт ядерной физики (INFN), использовалась техника фемтоскопии для выявления деталей производства и взаимодействия частиц. Промежуточный продукт распада, пион, катализирует слияние протона и нейтрона в дейтрон, что значительно повышает шансы новообразованных ядер на выживание в более прохладной области вдали от точки основного удара.

Это открытие имеет более широкие последствия для астрофизики, в частности, для интерпретации данных космических лучей. Доктор Максимилиан Малейн указал, что улучшенные модели, основанные на этих результатах, могут дать новые сведения о природе темной материи, поскольку легкие ядра и античастицы также образуются при взаимодействии космических лучей с межзвездной средой. Профессора Лаура Фабьетти и Лукас Генрих из TUM, являющиеся членами кластера передового опыта ORIGINS, получили Премию Прорыва в фундаментальной физике 2025 года в апреле 2025 года за их совместную работу в проектах ALICE и ATLAS.