С помощью самого мощного в мире ускорителя частиц — Большого адронного коллайдера (БАК) в CERN — ученые установили, что раскаленная «первичная субстанция», заполнявшая космос в первые миллионные доли секунды после Большого взрыва, вела себя как жидкость, что делает ее похожей на самый настоящий «бульон».
Эта первичная плазма состояла из кварков и глюонов, которые при быстром охлаждении сливались, образуя фундаментальные частицы вроде протонов и нейтронов. Сегодня эти протоны и нейтроны лежат в основе всех атомов, составляющих окружающую нас материю. В обычных условиях кварки и глюоны навсегда «заперты» внутри составных частиц. Единственное исключение — эксперименты на БАКе. Сталкивая тяжелые ядра свинца на околосветовых скоростях, ученые создают условия, на краткий миг освобождающие кварки и глюоны от их «атомных оков», воссоздавая кварк-глюонную плазму ранней Вселенной.
Используя 27-километровый ускоритель в окрестностях Женевы, команда исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) смогла получить кварк-глюонную плазму. Внутри этой псевдопервичной субстанции они наблюдали, как кварки, проносясь сквозь плазму, создают «кильватерные следы», подобно тому как лодка оставляет след на воде. Это первые прямые свидетельства того, что кварк-глюонная плазма реагирует на пролетающие частицы именно как жидкость — плещется и создает волны, ведя себя как единая сплошная среда, а не как набор случайно разлетающихся отдельных частиц. Эта когерентность означает, что плазма была не просто текучей средой (как, например, газ), а именно жидкостью. По словам ученых, это открытие может разрешить давние споры о природе самого раннего вещества во Вселенной.
«В нашем сообществе долгое время шли дебаты о том, должна ли плазма как-то реагировать на кварк, — заявил в своем комментарии член команды, профессор физики MIT Ен-Джи Ли. — Теперь мы видим, что плазма невероятно плотная, она способна замедлить кварк и создает брызги и водовороты, как жидкость. Так что кварк-глюонная плазма и впрямь является первичным «супом»».
Чтобы наблюдать кильватерные следы в плазме, Ли и его коллеги использовали детектор CMS (Компактный мюонный соленоид) на БАКе. Они разработали методику, которая также позволила измерить размер, скорость и протяженность этих следов, а также время их затухания. Эта информация может оказаться ключевой для более глубокого понимания как свойств кварк-глюонной плазмы, так и ее поведения в первые микросекунды жизни Вселенной.
«Изучение того, как кильватерный след кварка распространяется и затухает, даст нам новое понимание свойств кварк-глюонной плазмы, — пояснил Ли. — С помощью этого эксперимента мы делаем моментальный снимок этого первичного «кваркового супа»».
Горячее некуда
Кварк-глюонная плазма была не только первой жидкостью во Вселенной, но и самой горячей из всех, что когда-либо существовали, с температурой в триллионы градусов. Считается, что этот первичный «бульон» был практически идеальной жидкостью, то есть его кварки и глюоны текли вместе, образуя гладкую, лишенную трения среду.
Хотя существует множество моделей кварк-глюонной плазмы, одна из теорий, так называемая «гибридная модель», предполагает, что эта первичная субстанция должна реагировать, как и любая другая жидкость, когда через нее на большой скорости проходят частицы. Согласно гибридной модели, струя кварков, движущаяся сквозь «океан» плазмы, должна создавать кильватерный след, заставляя его рябить и плескаться.
Многочисленные эксперименты на БАКе и других ускорителях пытались зафиксировать этот эффект. Возможны они только благодаря столкновениям тяжелых заряженных атомов (ионов) на околосветовых скоростях, что порождает каплю первичной субстанции, живущую не более квадриллионной доли секунды. Ученые продолжают пытаться «сфотографировать» этот «суп», чтобы понять характеристики кварк-глюонной плазмы.
В поисках кильватерных следов ученые долгое время охотились за парами «кварк-антикварк». Согласно теории, когда кварк проносится сквозь плазму, должен существовать и его антикварк, движущийся с точно такой же скоростью, но в противоположном направлении. Обе частицы, согласно гибридной модели, должны создавать обнаруживаемые следы. Звучит просто, но здесь-то и скрывалась проблема.
«Когда рождаются два кварка, проблема в том, что один из них затмевает след второго, — объяснил Ли. — Мы поняли, что обнаружить след одного кварка было бы проще, если бы второй кварк его не перекрывал».
«Кротоны» из бозонов
Вместо поиска пар кварков команда Ли стала искать кварки, движущиеся в паре с нейтральной элементарной частицей — Z-бозоном, который почти не влияет на окружающую среду. Преимущество Z-бозонов в том, что они обладают определенной энергией, что делает их относительно легкой мишенью для обнаружения.
«В этом «супе» из кварк-глюонной плазмы множество кварков и глюонов пролетают мимо и сталкиваются друг с другом, — сказал Ли. — Иногда, если повезет, одно из таких столкновений рождает Z-бозон и кварк с высоким импульсом».
В таких условиях кварк и Z-бозон сталкиваются и разлетаются в противоположные стороны. Кварк оставляет за собой след, а Z-бозон — нет, поскольку он не взаимодействует с окружающей плазмой. Это означает, что любые волны в этой ситуации создаются исключительно кварком.
Проанализировав 13 миллиардов столкновений на БАКе, Ли и команда выявили около 2000 событий, в которых рождался Z-бозон. В этих случаях ученые постоянно наблюдали жидкообразную картину «всплесков», движущихся в направлении, противоположном направлению обнаруженных Z-бозонов. Они определили, что это и есть долгожданный кильватерный след кварка. Наблюдаемые картины полностью соответствовали предсказаниям гибридной модели о волновых эффектах в кварк-глюонной плазме.
«Мы получили первые прямые доказательства того, что кварк действительно «тащит» за собой часть плазмы, — подытожил Ли. — Это позволит нам изучать свойства и поведение этой экзотической жидкости с беспрецедентной детальностью».
Исследование команды было опубликовано в журнале Physics Letters B.
Поделитесь в вашей соцсети👇
Ваш комментарий