Физики, работающие на Большом адронном коллайдере CERN, получили первое прямое свидетельство того, что кварк-глюонная плазма действительно ведет себя как жидкость. Пролетая через эту сверхгорячую материю, отдельный кварк оставляет за собой своеобразный след — волну, брызги и завихрения, подобно лодке или утке, движущейся по воде.

Кварк-глюонная плазма существовала в первые мгновения после Большого взрыва, когда температура Вселенной достигала нескольких триллионов градусов. Она просуществовала всего несколько миллионных долей секунды, после чего быстро остыла, а кварки и глюоны объединились в протоны, нейтроны и другие частицы.

Теперь ученым удалось фактически увидеть, как эта первичная «субстанция» реагировала на пролетающие через нее частицы, рассказывает Sciencedaily.

Самая горячая жидкость во Вселенной

Кварк-глюонная плазма возникает при экстремальных температурах и плотностях, когда кварки и глюоны перестают быть связаны внутри протонов и нейтронов. Считается, что именно такое состояние материи заполняло Вселенную в первые микросекунды ее существования.

Воссоздать его можно в ускорителях частиц. В CERN тяжелые ионы, например ядра свинца, разгоняют почти до скорости света и сталкивают друг с другом. На ничтожно короткое время в результате столкновения образуется крошечная капля кварк-глюонной плазмы.

Эти капли существуют менее квадриллионной доли секунды. Поэтому непосредственно наблюдать плазму невозможно: ученым приходится восстанавливать происходившее по частицам, которые появляются после ее распада.

Многочисленные эксперименты уже показали, что кварк-глюонная плазма ведет себя как необычайно «идеальная» жидкость — ее частицы движутся согласованно, а сопротивление потоку чрезвычайно мало. Но оставался важный вопрос: способна ли эта среда реагировать на отдельный быстро движущийся кварк как единое целое?

Кварк оставляет за собой «след»

Исследователи под руководством физика MIT Йен-Дже Ли разработали новый способ найти такой след.

Когда быстрый кварк проходит через плазму, он взаимодействует с окружающей материей и должен создавать за собой волну — так называемый wake, или след. Теоретические модели предсказывали, что плазма при этом должна не просто рассеивать кварк, а коллективно реагировать на его движение, создавая волны и завихрения.

Проблема заключалась в том, что увидеть этот эффект чрезвычайно трудно. В предыдущих экспериментах ученые часто искали пары из кварка и антикварка. Но два объекта движутся в противоположных направлениях и каждый создает собственный след. В результате один из них может перекрывать сигнал другого.

Новая методика позволяет исследовать ситуацию, в которой через плазму проходит фактически один интересующий ученых кварк.

З-бозон стал ориентиром

Для этого физики использовали необычный «маяк» — Z-бозон, нейтральную элементарную частицу, связанную со слабым взаимодействием.

В некоторых столкновениях тяжелых ионов одновременно рождаются кварк и Z-бозон. Они разлетаются примерно в противоположных направлениях. При этом кварк активно взаимодействует с кварк-глюонной плазмой, а Z-бозон почти не взаимодействует с ней.

Это дает ученым удобную точку отсчета. Если Z-бозон указывает направление, противоположное ему можно искать след, оставленный кварком.

«В этой супообразной среде множество кварков и глюонов пролетают мимо друг друга и сталкиваются», — объясняет Ли. Иногда одно из таких взаимодействий создает Z-бозон и кварк с большим импульсом.

Поскольку Z-бозон практически не влияет на плазму, обнаруженные рядом с противоположной стороны изменения распределения энергии можно связать именно с движением кварка.

След удалось найти среди 13 миллиардов столкновений

Исследователи проанализировали данные примерно о 13 млрд столкновений тяжелых ионов. Среди них они нашли около 2000 событий, в которых образовался Z-бозон.

Для каждого такого события ученые восстановили распределение энергии в краткоживущей кварк-глюонной плазме. В направлении, противоположном Z-бозону, снова и снова появлялись характерные структуры — всплески энергии и завихрения, соответствующие предсказанному следу быстро движущегося кварка.

Полученная картина согласуется с теоретической моделью, разработанной физиком MIT Кришной Раджагопалом и его коллегами. Она предсказывает, что кварк, проходя через плазму, должен увлекать за собой часть окружающей материи и создавать жидкоподобную волну.

Таким образом, эксперимент впервые дал прямое свидетельство того, что кварк-глюонная плазма действительно реагирует на отдельную быструю частицу как коллективная жидкость.

Окно в первые микросекунды Вселенной

Новый метод важен не только потому, что физики наконец увидели предсказанный эффект. Размер, скорость распространения и продолжительность существования кваркового следа могут рассказать о свойствах самой плазмы.

Изучая, насколько далеко распространяются такие волны, как быстро они затухают и каким образом взаимодействуют с окружающей материей, ученые смогут точнее определить характеристики кварк-глюонной плазмы.

А поскольку именно такое состояние материи существовало в первые микросекунды после Большого взрыва, эксперименты на БАК дают возможность косвенно исследовать физику того периода.

Теперь исследователи планируют применить новый метод к дополнительным данным столкновений и найти больше подобных событий. Чем больше следов удастся собрать, тем точнее можно будет восстановить свойства самой необычной жидкости, которая когда-либо существовала во Вселенной.