Лёд, вода, пар — фазовые переходы, знакомые каждому. Но что происходит, если сжать и разогреть само ядро атома? Теоретики полагают, что протоны и нейтроны в нём «плавятся», высвобождая кирпичики помельче — кварки и глюоны. Получается горячая каша, которую называют кварк-глюонной плазмой. Она заполняла Вселенную в первые микросекунды после Большого взрыва.

В ЦЕРНе, на ускорителе SPS, работает установка NA61/SHINE — по сути, огромный микроскоп, разглядывающий такие микровзрывы. Тяжёлые ионы (например, ядра свинца) разгоняют до скоростей, близких к скорости света, и бьют о неподвижную мишень. Энергия удара на миг создаёт температуру в тысячи миллиардов градусов — этого достаточно, чтобы «растопить» ядерную материю. Эксперимент перебирает энергию пучка (от 13 до 158 гигаэлектронвольт на нуклон) и виды сталкивающихся ядер — от одиночных протонов до тяжёлого свинца, как будто регулирует огонь под кастрюлей и размер самой кастрюли.

Главная подсказка о рождении плазмы — поведение «странных» кварков. В обычном веществе их почти нет, но в плазме они появляются в изобилии. Учёные следят за отношением числа странных частиц к числу пионов (самых лёгких частиц, рождающихся в изобилии). Согласно Статистической модели ранней стадии, на графике зависимости этого отношения от энергии столкновения должен появиться «горн» — резкий подъём, а затем спад. Это напоминает момент кипения: температура воды перестаёт расти, хотя нагрев продолжается, потому что энергия уходит на разрушение связей, а не на нагрев.

Недавние данные NA61/SHINE действительно показывают такой горн в районе 30 гигаэлектронвольт, причём форма пика зависит от размера сталкивающихся ядер. Результаты сравнивают с данными других экспериментов по всему миру, и картина сходится: переход от обычного ядерного вещества к кварк-глюонной плазме происходит не резко, а через размытую область — как таяние сливочного масла, а не льда. Такая систематическая «двумерная» разведка — по энергии и по размеру системы — помогает нарисовать полную карту состояний ядерной материи, от холодных ядер до раскалённой плазмы.

Лёд, вода, пар… и кварк-глюонная плазма. Физики добавляют к этому ряду ещё одно состояние вещества, которое можно создать, лишь на миг разогрев крошечную каплю Вселенной до немыслимых температур.