Спустя миллионные доли секунды после Большого взрыва Вселенная не была заполнена привычными нам атомами или хотя бы протонами — она представляла собой обжигающий хаос из кварков и глюонов. Теперь ученые из коллаборации CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) впервые получили прямые доказательства того, что эта экстремальная материя вела себя не как облако разрозненных частиц, а плескалась и перетекала, словно жидкость, оставляя за собой волны.
Представьте себе (если такое возможно) состояние вещества, температура которого превышает несколько триллионов градусов. При таких значениях даже атомные ядра «плавятся», высвобождая свои фундаментальные кирпичики — кварки, а также «клей», который их удерживает — глюоны. В физике это состояние называется кварк-глюонной плазмой (КГП).
Долгое время теоретики спорили: на что похоже это варево? Это газ из хаотично мечущихся частиц или все-таки сверхплотная жидкость, способная течь? Чтобы ответить на этот вопрос, физики в ЦЕРНе разгоняют ионы свинца почти до скорости света и сталкивают их лоб в лоб. На крошечную долю секунды в коллайдере возникает микроскопическая капля той самой кварк-глюонной плазмы, которая заполняла Вселенную почти 14 миллиардов лет назад.
Но как изучить каплю, которая исчезает быстрее, чем вы успеете о ней подумать? Нужно посмотреть, что происходит, когда сквозь нее на огромной скорости пролетает какая-нибудь частица. Подобно тому, как катер оставляет за собой расходящийся клином кильватерный след на воде, одиночный кварк должен оставлять «рябь» в плазме. Если рябь есть — перед нами сплошная среда (жидкость). Если нет — просто рой независимых частиц.
Проблема заключалась в том, что в адском котле Большого адронного коллайдера частицы обычно рождаются парами. Кварк и антикварк разлетаются в разные стороны, каждый поднимает свою собственную волну, и в результате получается нечитаемая физическая «каша». Это все равно что бросить в пруд сразу две горсти камней и попытаться по интерференции кругов на воде восстановить траекторию одного конкретного булыжника.
Команда исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) во главе с профессором Йен-Цзе Ли (Yen-Jie Lee) придумала интересный трюк. Они решили искать крайне редкие события, когда в плазме рождается не пара кварков, а одиночный кварк в паре с Z-бозоном.
Z-бозон — это переносчик слабого взаимодействия. В отличие от кварков, ему совершенно плевать на сильное взаимодействие, которое правит бал в кварк-глюонной плазме. Рождаясь вместе с кварком, Z-бозон работает как «молчаливый свидетель» или идеальная метка: он беспрепятственно вылетает из капли плазмы, вообще никак с ней не взаимодействуя. Кварк же, подчиняясь закону сохранения импульса, летит строго в противоположную сторону, продираясь сквозь плотный первородный бульон.
Физики проанализировали данные о 13 миллиардах столкновений ионов свинца. Из этой астрономической кучи мусора им удалось выудить всего около 2000 ценных событий с участием Z-бозона.
Выстроив картину разлета осколков (адронов) относительно траектории Z-бозона, ученые увидели четкую асимметрию. С противоположной от бозона стороны кварк, как настоящая торпеда, тянул за собой гидродинамический след. Плазма расступалась, тормозила частицу и закручивалась в микроскопические водовороты.
Это прямое и неоспоримое доказательство: кварк-глюонная плазма — не просто красивое название. Она действительно ведет себя как жидкость, причем обладающая крайне низким внутренним трением.
Результаты эксперимента блестяще подтвердили так называемую «гибридную модель», которую ранее разработал теоретик Кришна Раджагопал (Krishna Rajagopal) из того же MIT.
«Долгие годы в нашей области шли дебаты о том, откликается ли плазма на пролет кварка, — отмечает Йен-Цзе Ли. — Теперь мы видим, что она невероятно плотная, способна замедлить кварк и порождает брызги и водовороты, словно настоящая жидкость. Так что кварк-глюонная плазма — это действительно первородный бульон».
Изучение того, как именно затухают эти квантовые круги на воде, поможет физикам понять точные свойства вещества на заре времен. То, как ударные волны распространяются в жидкостях (в отличие от газа), напрямую влияет на то, как остывала Вселенная, как из этого хаоса вылеплялись первые протоны с нейтронами, и как в итоге появились зародыши будущих галактик и черных дыр.
Похоже, в самом начале времён космос был не просто горячим и плотным, но еще и на удивление текучим. Жаль только, что попробовать этот бульон на вкус уже не выйдет — придется довольствоваться его «брызгами» в детекторах коллайдера.
Оригинал исследования: CMS Collaboration. «Evidence of medium response to hard probes using correlations of Z bosons with hadrons in heavy ion collisions.» DOI:10.1016/j.physletb.2025.140120
Читайте также: Большой взрыв уже не тот, что раньше
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.