Български принос в разкриването на загадка на микросвета: как се образуват и оцеляват леките ядра

Международен екип с участието на д-р Димитър Михайлов от Физическия факултет на Софийския университет „Св. Климент Охридски“ успя да реши дългогодишна загадка във физиката на елементарните частици чрез данни, получени от сблъсъци на частици в Големия адронен колайдер (LHC) в Женева, Швейцария.

За първи път учените показват как леки атомни ядра могат да се образуват от протони и неутрони и да оцелеят в екстремните условия, създавани при високоенергийни сблъсъци, съобщават от СУ.

Екипът от Физическия факултет на Софийския университет е подкрепен от проекта „Софийски университет – маркер за иновации и технологичен трансфер (SUMMIT)“ и има водещ принос в анализа, извършен в рамките на колаборацията ALICE – един от четирите основни експеримента на LHC. Статията за откритието е публикувана в престижното сп. Nature.

Температурата в ядрото на нашето Слънце е около 15 милиона градуса по Целзий. И макар това да изглежда много за нас, хората, температурите, които се достигат при високоенергийните сблъсъци в колайдера LHC в ускорителния комплекс на Европейската лаборатория по физика на елементарните частици (ЦЕРН) в Швейцария, надхвърлят един трилион градуса. Подобна екстремна среда би трябвало да унищожи всички свързани състояния на протони и неутрони. Въпреки това експериментално се наблюдава добив на по-тежки атомни ядра. Това е ключов научен принос, в който значително участие взема български екип от Физическия факултет на Софийския университет.

Европейската лаборатория по физика на елементарните частици е основана от 12 европейски държави през 1954 г. България е страна член от 1999 г. Над 100 български специалисти сътрудничат с ЦЕРН.

Проектът LHC (Големият адронен колайдер) направи ЦЕРН световен лидер в областта на физиката на елементарните частици. Първата фаза на експериментите на колайдера беше увенчана с откриването на предсказания преди половин век бозон на Хигс, който беше единственият липсващ елемент в Стандартния модел на елементарните частици. Днес откритието, подкрепено от проекта SUMMIT, е поредната ключова стъпка към разкриване загадките на микросвета – света, в който живеят субатомните частици.

Особено интересен пример за такава частица е деутеронът. Той е съставна частица, изградена от един протон и един неутрон, която се добива в сравнително големи количества. За учените тези частици дълго време изглеждат подобни на „снежинки, родени в огъня“ – нещо, което не би следвало да се случва. Малък екип изследователи, сред които и д-р Димитър Михайлов, предлага нова идея за решаване на тази загадка. Според новия модел „снежинките“ не се раждат в огъня на сблъсъците в колайдера LHC, а там се раждат само техните „родители“. Протоните, неутроните и техните възбудени състояния — т.нар. резонанси, могат да преживеят екстремните високоенергийни условия. Състояния с кратък живот, като т.нар. резонанс делта, се добиват в големи количества и се разпадат на протони и неутрони, след като изминат няколко фемтометъра, т.е. няколко трилионни части от милиметъра. Това разстояние обаче е достатъчно, за да напуснат най-горещите области на сблъсъка, където впоследствие могат да се образуват и оцелеят деутероните.

Такъв механизъм предлага елегантно решение на загадката за образуването на деутероните.

Той не само осигурява протони и неутрони в сравнително „безопасна“ зона, но и позволява отделянето на допълнителна частица — пион, която отвежда излишната енергия при образуването на деутерона. Последното е изключително важна стъпка, тъй като гарантира спазването на закона за съхранение на енергията, който е един от фундаменталните закони във физиката. „Тези резултати са изключително ценни за нас, тъй като процесите, които изследваме в лабораторията, протичат и в Космоса. Произходът на тежките елементи, наблюдавани в ултрависокоенергийните космически лъчи, все още не е изяснен, а нашите резултати може да са първа стъпка към отговора на тази още по-голяма загадка“, подчертава значението на откритието д-р Димитър Михайлов.

Изследването е подкрепено в рамките на научна група във Физическия факултет на СУ по проект „Софийски университет – маркер за иновации и технологичен трансфер (SUMMIT)“. Проектът е финансиран от ЕС NextGenerationEU по Националния план за възстановяване и устойчивост, компонент „Иновативна България“, Инвестиция 1 „Програма за ускоряване на икономическото възстановяване и трансформация чрез наука и иновации“.