Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) и Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) впервые получили убедительные свидетельства, раскрывающие природу кварк-глюонной плазмы. Это экзотическое состояние материи, царившее в мироздании в первые мгновения после Большого взрыва, продемонстрировало отчетливые свойства жидкости, формируя волны и сложные вихри.
Воссоздать условия, близкие к рождению Вселенной, позволили эксперименты на Большом адронном коллайдере. Сталкивая ионы свинца, разогнанные почти до световой скорости, физики получили микроскопические капли этой сверхгорячей субстанции. Ее температура в миллиарды раз превышает нагрев поверхности нашего Солнца.
Ключевой целью исследования было проследить за поведением отдельного кварка, пронизывающего эту плотную среду. Ученые хотели выяснить, рассеивается ли частица хаотично или же оставляет за собой упорядоченный кильватерный след, подобно судну, рассекающему водную гладь.
Основная сложность заключалась в том, что кварки в коллайдере обычно рождаются парами со своими античастицами, создавая перекрывающиеся искажения, которые крайне трудно интерпретировать. Для решения этой проблемы была разработана инновационная стратегия анализа.
Исследователи сосредоточились на исключительно редких событиях — лишь около 2000 из 13 миллиардов зафиксированных столкновений. В этих случаях вместе с кварком появлялся Z-бозон, нейтральная частица, практически не взаимодействующая с плазмой. Он выступал в роли идеального контрольного маркера, не вносящего дополнительных помех.
Такой подход впервые позволил изолировать и четко отследить возмущения, порожденные одиночным кварком. Анализ подтвердил, что плазма реагирует на него как целостная среда, передавая импульс и формируя характерные волновые паттерны — «всплески» и «завихрения».
«Это доказывает, что кварк-глюонная плазма действительно является тем самым “первобытным супом”, — отмечает физик Йен-Цзе Ли из MIT.
Его коллега, соавтор работы Кришна Раджагопал, добавляет, что полученные данные представляют для него «недвусмысленное доказательство» жидкостной динамики плазмы, хотя научное сообщество, вероятно, продолжит активные дискуссии.
Разработанная методика открывает принципиально новые возможности для изучения свойств материи в экстремальных состояниях. Она приближает человечество к разгадке фундаментальных тайн, скрытых в самых первых мгновениях существования нашей Вселенной.
Работа опубликована в журнале Physics Letters B.
Изображение: иллюстрация кварка, создающего след, движущийся сквозь сверхгорячую, сверхплотную кварк-глюонную плазму, которая проникла в первозданную Вселенную на долю секунды, прежде чем сплотиться в материю, подобную нейтронам и протонам. (Хосе-Луис Оливарес/MIT)
