В первые мгновения после рождения Вселенной существовало необычное состояние материи, в котором кварки и глюоны двигались при температурах в несколько триллионов градусов. Сегодня физики могут воссоздавать краткоживущую кварк-глюонную плазму в столкновениях тяжелых ионов на Большом адронном коллайдере.

Теперь исследователи получили прямые свидетельства того, что проходящие через нее кварки способны создавать волны и вихревые движения, подобные следу частицы в жидкости. О том, как кварки оставляют следы в материи ранней Вселенной, — в материале «Известий».

Исследование опубликовано в научном журнале Physics Letters B. Ученые изучали, как кварк-глюонная плазма реагирует на быстро движущуюся частицу. В результате они обнаружили характерные изменения распределения энергии — всплески и вихревое движение — в области, противоположной направлению зарегистрированного Z-бозона.

Полученная картина соответствует теоретическим расчетам, согласно которым плазма должна реагировать на движение кварка как жидкость.

Йенджи Ли, профессор физики в Массачусетском технологическом институте

В нашей области давно ведутся дебаты о том, должна ли плазма реагировать на кварки. Теперь мы видим, что плазма невероятно плотная, настолько, что способна замедлять кварки и создавать брызги и вихри, как жидкость. Таким образом, кварк-глюонная плазма действительно представляет собой первобытный бульон.

В ранней Вселенной температура достигала нескольких триллионов градусов. Кварки и глюоны находились в состоянии, которое называют кварк-глюонной плазмой. По мере расширения и охлаждения Вселенной они объединились в протоны, нейтроны и другие частицы, из которых сегодня состоит окружающая нас материя.

На Большом адронном коллайдере физики воссоздают небольшие объемы такой плазмы, сталкивая тяжелые ионы почти со скоростью света. Возникающие при этом капли кварк-глюонной плазмы живут менее одной квадриллионной доли секунды. Поэтому непосредственно наблюдать их невозможно — свойства плазмы приходится восстанавливать по распределению частиц, появившихся после столкновения.

Ранее ученые пытались обнаружить следы движения кварков, изучая пары из кварка и антикварка. Однако такой подход создавал проблему: частицы движутся в противоположных направлениях и могут оставлять перекрывающиеся следы, из-за чего становится трудно определить вклад каждого кварка.

Йенджи Ли

Когда образуются два кварка, проблема в том, что, когда эти два кварка движутся в противоположных направлениях, один кварк затмевает след от второго кварка. Мы разработали новую методику, которая позволяет нам наблюдать влияние отдельного кварка на кварк-глюонную плазму через другую пару частиц.

Исследователи использовали другой способ — Z-бозон как своеобразную метку. При этом Z-бозон почти не взаимодействует с окружающей плазмой, поэтому его можно использовать как ориентир для определения направления движения кварка.

Z-бозон — это нейтральная элементарная частица, связанная со слабым взаимодействием. В некоторых столкновениях кварк и Z-бозон возникают с большими импульсами и разлетаются примерно в противоположных направлениях.

Это позволило искать изменения в плазме именно на стороне, где должен был двигаться кварк. Возникающие там волны и другие возмущения можно было связать с воздействием отдельной частицы.

Команда проанализировала данные о примерно 13 млрд столкновений тяжелых ионов на Большом адронном коллайдере. Среди них исследователи выделили около 2 тыс. событий, в которых образовывался Z-бозон.

Для этих событий ученые проследили, как энергия распределялась в короткоживущей кварк-глюонной плазме. В направлении, противоположном Z-бозону, неоднократно возникала характерная картина с всплесками и вихревым движением. Поскольку сам Z-бозон почти не взаимодействует с плазмой, наблюдаемые возмущения связали с движением кварка.

Полученные результаты согласовались с предсказаниями гидродинамической модели.

Йенджи Ли

Мы получили первые прямые доказательства того, что кварк действительно увлекает за собой больше плазмы во время своего движения. Это позволит нам изучать свойства и поведение этой экзотической жидкости с беспрецедентной детализацией.