CERN-ի Մեծ հադրոնային կոլայդերում աշխատող ֆիզիկոսները ստացել են առաջին ուղիղ ապացույցը, որ քվարկ-գլյուոնային պլազման իսկապես իրեն պահում է որպես հեղուկ։ Անցնելով այս գերշիկացած նյութի միջով՝ առանձին քվարկը իր հետևում թողնում է յուրօրինակ հետք՝ ալիք, շիթեր և պտույտներ, ինչպես ջրի վրայով շարժվող նավակը կամ բադը։

Քվարկ-գլյուոնային պլազման գոյություն է ունեցել Մեծ պայթյունից հետո առաջին ակնթարթներին, երբ Տիեզերքի ջերմաստիճանը հասնում էր մի քանի տրիլիոն աստիճանի։ Այն գոյատևել է ընդամենը վայրկյանի մի քանի միլիոներորդական բաժին, որից հետո արագ սառել է, իսկ քվարկներն ու գլյուոնները միավորվել են պրոտոնների, նեյտրոնների և այլ մասնիկների մեջ։

Այժմ գիտնականներին հաջողվել է փաստացի տեսնել, թե ինչպես էր այս նախնական «սուբստանցիան» արձագանքում իր միջով անցնող մասնիկներին, պատմում է Sciencedaily-ը։

Տիեզերքի ամենաթեժ հեղուկը

Քվարկ-գլյուոնային պլազման առաջանում է ծայրահեղ ջերմաստիճանների և խտությունների պայմաններում, երբ քվարկներն ու գլյուոնները դադարում են կապված լինել պրոտոնների և նեյտրոնների ներսում։ Համարվում է, որ հենց նյութի այս վիճակն էր լցնում Տիեզերքը դրա գոյության առաջին միկրովայրկյաններին։

Այն կարելի է վերարտադրել մասնիկների արագացուցիչներում։ CERN-ում ծանր իոնները, օրինակ՝ կապարի միջուկները, արագացնում են գրեթե մինչև լույսի արագություն և բախում միմյանց։ Բախման արդյունքում չափազանց կարճ ժամանակով առաջանում է քվարկ-գլյուոնային պլազմայի փոքրիկ կաթիլ։

Այս կաթիլները գոյություն ունեն վայրկյանի քվադրիլիոներորդականից էլ պակաս ժամանակ։ Այդ պատճառով պլազման անմիջապես դիտարկել հնարավոր չէ. գիտնականները ստիպված են վերականգնել տեղի ունեցածը այն մասնիկների միջոցով, որոնք հայտնվում են դրա տրոհումից հետո։

Բազմաթիվ փորձեր արդեն ցույց են տվել, որ քվարկ-գլյուոնային պլազման իրեն պահում է որպես անսովոր «իդեալական» հեղուկ․ դրա մասնիկները շարժվում են համադրված, իսկ հոսքին դիմադրությունը չափազանց փոքր է։ Բայց մնում էր կարևոր հարց. արդյոք այս միջավայրը կարող է արձագանքել առանձին արագ շարժվող քվարկին որպես մեկ ամբողջություն՞։

Քվարկը իր հետևում «հետք» է թողնում

MIT-ի ֆիզիկոս Յեն-Ջե Լիի գլխավորած հետազոտողները մշակել են այդպիսի հետք գտնելու նոր եղանակ։

Երբ արագ քվարկն անցնում է պլազմայի միջով, այն փոխազդում է շրջապատող նյութի հետ և պետք է իր հետևում ալիք ստեղծի՝ այսպես կոչված wake, կամ հետք։ Տեսական մոդելները կանխատեսում էին, որ պլազման այդ դեպքում պետք է ոչ թե պարզապես ցրի քվարկը, այլ կոլեկտիվորեն արձագանքի նրա շարժմանը՝ ստեղծելով ալիքներ և պտույտներ։

Խնդիրն այն էր, որ այս ազդեցությունը տեսնելը չափազանց դժվար է։ Նախորդ փորձերում գիտնականները հաճախ փնտրում էին քվարկի և հակաքվարկի զույգեր։ Բայց երկու օբյեկտները շարժվում են հակառակ ուղղություններով, և յուրաքանչյուրն ստեղծում է իր սեփական հետքը։ Արդյունքում դրանցից մեկի ազդանշանը կարող է ծածկել մյուսինը։

Նոր մեթոդիկան թույլ է տալիս ուսումնասիրել այն իրավիճակը, երբ պլազմայով անցնում է փաստացի գիտնականներին հետաքրքրող միայն մեկ քվարկ։

Z-բոզոնը դարձավ կողմնացույց

Դրա համար ֆիզիկոսներն օգտագործել են անսովոր «փարոս»՝ Z-բոզոնը, չեզոք տարրական մասնիկ, որը կապված է թույլ փոխազդեցության հետ։

Ծանր իոնների որոշ բախումների ժամանակ միաժամանակ ծնվում են քվարկ և Z-բոզոն։ Դրանք հեռանում են մոտավորապես հակառակ ուղղություններով։ Ընդ որում, քվարկը ակտիվորեն փոխազդում է քվարկ-գլյուոնային պլազմայի հետ, իսկ Z-բոզոնը գրեթե չի փոխազդում դրա հետ։

Սա գիտնականներին տալիս է հարմար հաշվարկման կետ։ Եթե Z-բոզոնը ցույց է տալիս ուղղությունը, ապա դրան հակառակ կարելի է փնտրել քվարկի թողած հետքը։

«Այս ապուրանման միջավայրում բազմաթիվ քվարկներ և գլյուոններ սլանում են միմյանց կողքով ու բախվում», — բացատրում է Լին։ Երբեմն այդպիսի փոխազդեցություններից մեկը ստեղծում է Z-բոզոն և մեծ իմպուլս ունեցող քվարկ։

Քանի որ Z-բոզոնը գործնականում չի ազդում պլազմայի վրա, հակառակ կողմում նրա մոտ հայտնաբերված էներգիայի բաշխման փոփոխությունները կարելի է կապել հենց քվարկի շարժման հետ։

Հետքը հաջողվեց գտնել 13 միլիարդ բախումների մեջ

Հետազոտողները վերլուծել են ծանր իոնների մոտ 13 մլրդ բախումների տվյալները։ Դրանց մեջ նրանք գտել են մոտ 2000 դեպք, որոնցում ձևավորվել է Z-բոզոն։

Յուրաքանչյուր նման դեպքի համար գիտնականները վերականգնել են կարճատև քվարկ-գլյուոնային պլազմայում էներգիայի բաշխումը։ Z-բոզոնին հակառակ ուղղությամբ կրկին ու կրկին հայտնվել են բնորոշ կառուցվածքներ՝ էներգիայի բռնկումներ և պտույտներ, որոնք համապատասխանում էին արագ շարժվող քվարկի կանխատեսված հետքին։

Ստացված պատկերը համընկնում է MIT-ի ֆիզիկոս Կրիշնա Ռաջագոպալի և նրա գործընկերների մշակած տեսական մոդելի հետ։ Այն կանխատեսում է, որ պլազմայով անցնելիս քվարկը պետք է իր հետևից տանի շրջապատող նյութի մի մասը և ստեղծի հեղուկանման ալիք։

Այսպիսով, փորձը առաջին անգամ տվել է ուղիղ ապացույց, որ քվարկ-գլյուոնային պլազման իսկապես արձագանքում է առանձին արագ մասնիկի՝ որպես կոլեկտիվ հեղուկ։

Պատուհան դեպի Տիեզերքի առաջին միկրովայրկյանները

Նոր մեթոդը կարևոր է ոչ միայն այն պատճառով, որ ֆիզիկոսները վերջապես տեսան կանխատեսված ազդեցությունը։ Քվարկային հետքի չափը, տարածման արագությունը և գոյության տևողությունը կարող են պատմել հենց պլազմայի հատկությունների մասին։

Ուսումնասիրելով, թե որքան հեռու են տարածվում այդպիսի ալիքները, որքան արագ են դրանք մարում և ինչպես են փոխազդում շրջապատող նյութի հետ, գիտնականները կկարողանան ավելի ճշգրիտ որոշել քվարկ-գլյուոնային պլազմայի բնութագրերը։

Իսկ քանի որ նյութի հենց այս վիճակն էր գոյություն ունեցել Մեծ պայթյունից հետո առաջին միկրովայրկյաններին, ԲԱԿ-ում անցկացվող փորձերը հնարավորություն են տալիս անուղղակիորեն ուսումնասիրել այդ շրջանի ֆիզիկան։

Այժմ հետազոտողները ծրագրում են կիրառել նոր մեթոդը բախումների լրացուցիչ տվյալների վրա և գտնել ավելի շատ նմանատիպ դեպքեր։ Որքան շատ հետքեր հաջողվի հավաքել, այնքան ավելի ճշգրիտ հնարավոր կլինի վերականգնել երբևէ Տիեզերքում գոյություն ունեցած ամենաանսովոր հեղուկի հատկությունները։