Внутри атома неона скрывается ядро необычной формы. Вместо почти идеального шара протоны и нейтроны в неоне-20 образуют вытянутую структуру, напоминающую кеглю для боулинга. Физики получили подтверждение необычной геометрии на Большом адронном коллайдере , сравнив столкновения ядер неона и кислорода. Рассмотреть ядро напрямую невозможно, поэтому форму восстановили по тому, как после столкновения разлетаются рождённые частицы.
Атомное ядро занимает лишь крошечную часть объёма атома, но содержит почти всю его массу. Число протонов определяет химический элемент, а протоны вместе с нейтронами образуют сложную квантовую систему, где действует сильное взаимодействие. Школьные иллюстрации обычно показывают ядро круглым скоплением частиц, хотя сферическая форма встречается далеко не всегда. Например, ядро радия-224 имеет выраженную грушевидную деформацию.
Геометрия ядра влияет на его свойства и на процессы, возникающие при столкновениях с огромной энергией. Пространственное расположение протонов и нейтронов меняет начальные условия столкновения, а возникшее вещество затем расширяется в разных направлениях с разной интенсивностью. По распределению конечных частиц физики могут восстановить часть информации о форме исходных ядер.
Обычное наблюдение почти не помогает решить задачу. Квантовое состояние ядра не фиксирует единственную ориентацию в пространстве. Измерение усредняет возможные положения, поэтому несферическое ядро с нулевым угловым моментом в лабораторных данных сохраняет сферическую симметрию. Внутренняя деформация при прямом измерении фактически скрывается.
Столкновения на Большом адронном коллайдере позволяют добраться до скрытой геометрии другим способом. Когда два ядра движутся почти со скоростью света и сталкиваются, начальное распределение ядерного вещества влияет на дальнейшее расширение продуктов реакции. Детекторы регистрируют направления движения огромного числа частиц, а статистический анализ показывает, насколько равномерно или неравномерно разлетается вещество.
Для сравнения физики использовали кислород-16 и неон-20. Эксперимент не сталкивал кислород непосредственно с неоном. Большой адронный коллайдер провёл отдельные серии кислород-кислородных и неон-неоновых столкновений в 2025 году, а детектор CMS записал данные для последующего анализа. Массы двух ядер достаточно близки, поэтому различия в движении частиц легче связать с геометрией, а не просто с размером сталкивающихся систем.
Расчёты ядерной структуры предсказывают для кислорода-16 и неона-20 заметно разное расположение нуклонов. В кислороде-16 группы протонов и нейтронов могут образовывать структуру, близкую к тетраэдру. Ядро неона-20 сильнее вытянуто и асимметрично, поэтому CERN описывает форму неона сравнением с кеглей для боулинга. Результаты нескольких экспериментов на БАК согласуются с подобной деформацией.
Главную информацию физики получили из коллективного потока частиц. После столкновения продукты реакции не обязательно разлетаются равномерно во всех направлениях. Начальная геометрия области столкновения создаёт предпочтительные направления движения, а величину асимметрии описывают с помощью гармоник потока.
CMS измерил две важные характеристики: эллиптический поток (v_2) и треугольный поток (v_3). Эллиптический поток показывает двухлепестковую асимметрию распределения частиц. Например, при неполном перекрытии двух ядер область взаимодействия получается вытянутой, поэтому возникшее вещество быстрее расширяется вдоль одного направления и медленнее вдоль другого. Разница сохраняется в направлениях движения зарегистрированных частиц.
Треугольный поток (v_3) описывает трёхлепестковую составляющую распределения и сильнее зависит от неоднородностей начальной плотности энергии. Измерять v_2 и v_3 давно умеют в столкновениях тяжёлых ядер, включая свинец. Новые данные показали выраженный эллиптический и треугольный поток даже в гораздо меньших системах кислорода и неона.
Характер потока меняется вместе с центральностью столкновения, то есть со степенью перекрытия двух ядер. В кислород-кислородных и неон-неоновых столкновениях v_2 растёт при переходе к событиям со значительным, но неполным перекрытием, а затем уменьшается в наиболее центральных столкновениях. Для v_3 CMS увидел другую зависимость: треугольный поток постепенно увеличивается по мере роста перекрытия. В столкновениях свинца подобного поведения не наблюдают.
Наиболее важную проверку дало прямое сравнение неона с кислородом. В столкновениях с большим перекрытием неон-20 создаёт более сильный эллиптический поток, чем кислород-16. Разница соответствует расчётам, в которых неоновое ядро имеет вытянутую форму. Когда два сильно деформированных ядра сталкиваются почти по центру, собственная геометрия ядер заметнее влияет на форму области взаимодействия и затем передаётся движению рождённых частиц.
С треугольным потоком совпадение оказалось хуже. Эксперимент зафиксировал изменение v_3 при сравнении неона и кислорода, однако количественные значения не полностью совпали с модельными предсказаниями. Поэтому данные требуют дальнейшего анализа и более точного описания начальной структуры ядер и последующей эволюции образовавшегося вещества.
Тем не менее измерения показывают важную физическую связь: расположение протонов и нейтронов внутри ядра оставляет след в распределении частиц после столкновения. Само исходное ядро разрушается, детектор регистрирует уже продукты реакции, но информация о начальной геометрии не исчезает полностью. По характеру коллективного потока можно судить о форме объекта размером всего несколько фемтометров.
Такие столкновения помогают разбираться и с происхождением коллективного движения в небольших ядерных системах. При столкновениях тяжёлых ионов физики связывают выраженный поток с кварк-глюонной плазмой — чрезвычайно горячим состоянием вещества, где кварки и глюоны на короткое время перестают находиться внутри отдельных протонов и нейтронов. Считается, что похожее состояние заполняло Вселенную в первые микросекунды после Большого взрыва .
Для лёгких ядер картина долго оставалась менее ясной. Размер возникающей системы намного меньше, поэтому физикам нужно понять, распространяется ли привычное гидродинамическое описание кварк-глюонной плазмы на кислород и неон. CMS, ALICE и другие эксперименты БАК зарегистрировали в кислород-кислородных и неон-неоновых столкновениях признаки коллективного поведения, а результаты 2026 года также указывают на потерю энергии частиц в образующейся среде. CERN рассматривает совокупность измерений как новые признаки появления кварк-глюонной плазмы при столкновениях лёгких ионов.
Сравнение кислорода-16 и неона-20 даёт физикам ещё одно преимущество. Близкие размеры ядер уменьшают влияние части систематических неопределённостей, а различная геометрия позволяет проверить, насколько чувствительно конечное распределение частиц к исходной форме. CMS отмечает, что отношения измеренных потоков между неоном и кислородом хорошо подходят для подобных проверок, поскольку многие эффекты поздних стадий столкновения частично сокращаются при сравнении двух систем.
Большой адронный коллайдер тем самым даёт возможность исследовать ядерную структуру без прямого изображения ядра. Физики разрушают ядра при столкновении, измеряют направления движения появившихся частиц и по распределению восстанавливают начальную геометрию. Для неона-20 данные нескольких экспериментов согласуются с вытянутым ядром, напоминающим кеглю. Несовпадение измеренного треугольного потока с частью расчётов оставляет моделям пространство для уточнения, а накопленные в 2025 году данные позволяют продолжить более детальные проверки структуры лёгких ядер и свойств вещества, возникающего после столкновения.