Физики впервые увидели, как кварки создают волны в первичной «супе» Большого взрыва.

Ученые наблюдали, как мчащиеся кварки создают рябь в первичной материи, что раскрывает, насколько жидкоподобной была ранняя Вселенная.

В самые ранние моменты существования Вселенной температуры достигали триллионов градусов, формируя экстремально горячую смесь кварков и глюонов. Эти элементарные частицы мчались почти со скоростью света в состоянии вещества, известном как кварк-глюонная плазма (КГП). Эта первичная материя существовала всего на несколько миллионных долей секунды, после чего быстро остыла, позволив кваркам и глюонам объединиться в протоны, нейтроны и другие частицы, которые заполняют Вселенную сегодня.

На Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе

физики воссоздают кварк-глюонную плазму, чтобы исследовать состав вещества молодой Вселенной. Сталкивая тяжелые ионы почти со скоростью света, исследователи кратковременно разъединяют кварки и глюоны и получают крошечные количества того же типа вещества, которое существовало в первые микросекунды после Большого взрыва.

Кварки оставляют «валы» в первичной плазме

Команда ЦЕРНа под руководством физиков из MIT обнаружила убедительные доказательства того, что кварки создают «воины» — следы или «валы» — при движении через эту плазму, подобно тому как утка оставляет рябь, плывя по воде. Наблюдения дают первые прямые свидетельства того, что кварк-глюонная плазма реагирует на быстро движущиеся частицы как единый флюид, порождая волны, всплески и завихрения, а не просто проявляя поведение набора независимо рассеивающихся частиц.

«Долгое время в нашей области велись споры о том, должна ли плазма реагировать на кварк, — говорит Ен-Джи Ли, профессор физики в MIT. — Теперь мы видим, что плазма невероятно плотная, настолько, что она способна замедлять кварк и порождать всплески и завихрения, как жидкость. Так что кварк-глюонная плазма действительно является первичной «супой»».

Ли и его коллеги разработали новый метод обнаружения этих валов кварков. Они планируют применить технику к дополнительным данным столкновений частиц, чтобы найти больше примеров и изучить их детальнее.

Измеряя, насколько велики становятся валы, с какой скоростью они распространяются, на какое расстояние простираются и как быстро затухают, ученые смогут определить важные свойства кварк-глюонной плазмы. Эти измерения также могут дать подсказки о том, как плазма вела себя в первые микросекунды после зарождения Вселенной.

«Изучение того, как кварковые валы отражаются и колеблются, даст нам новые сведения о свойствах КГП, — говорит Ли. — С этим экспериментом мы делаем снимок этой первичной кварковой «супы»».

Соавторы исследования входят в Коллаборацию CMS — всемирную группу физиков частиц, проводящих и анализирующих эксперименты с помощью детектора Compact Muon Solenoid (CMS), одного из универсальных детекторов на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Исследователи использовали эксперимент CMS для выявления признаков кварковых валов в этом исследовании. Результаты с открытым доступом опубликованы в Physics Letters B.

Кварк-глюонная плазма

считается первой жидкостью во Вселенной. Это была также самая горячая из известных жидкостей, достигая температур в несколько триллионов градусов Цельсия за время своего краткого существования.

Ученые также характеризовали КГП как почти «идеальную» жидкость. В этом необычном состоянии отдельные кварки и глюоны, по-видимому, движутся вместе как исключительно гладкая жидкость с практически нулевым трением.

Это понимание сформировалось на основе многочисленных экспериментов и теоретических исследований. Одну из влиятельных моделей разработал Кришна Раджагопал, профессор физики имени Уильяма А. М. Бёрдена в MIT, и его соавторы. Известная как гибридная модель, она предсказывает, что кварк-глюонная плазма должна реагировать как жидкость, когда через нее проходят энергичные частицы.

По модели, быстро движущийся джет кварков должен возмущать окружающую плазму и оставлять за собой вал, заставляя материал рябить и брызгать.

Физики годами искали доказательства этих валов

на Большом адронном коллайдере и других высокоэнергетических ускорителях частиц. В этих экспериментах тяжелые ионы, такие как свинец, разгоняют до почти световой скорости и сталкивают. Столкновения кратковременно создают крошечные капли первичной материи, которые обычно существуют менее чем квадриллионную долю секунды.

Исследователи вынуждены фактически сделать снимок этого мимолетного момента и использовать полученные образцы распределения частиц, чтобы реконструировать свойства кварк-глюонной плазмы.

Почему кварковые валы было трудно увидеть

Предыдущие поиски кварковых валов часто фокусировались на парах, состоящих из кварка и антикварка. Антикварки — это аналоги кварков, чьи некоторые свойства имеют ту же величину, но противоположный знак.

Когда кварк быстро проходит через плазму, может быть произведен антикварк, движущийся с той же скоростью в противоположном направлении. Ученые поэтому искали пары кварк–антикварк, ожидая, что обе частицы создадут обнаруживаемые валы в окружающей плазме.

Этот подход породил серьёзную проблему.

«Когда рождаются два кварка, проблема в том, что при движении в противоположных направлениях один кварк заслоняет вал второго», — объясняет Ли.

Ли и его коллеги поняли, что вал от одиночного кварка было бы гораздо легче идентифицировать, если бы не существовал второй кварк, создающий перекрывающееся возмущение.

«Мы разработали новый метод, который позволяет увидеть эффекты одиночного кварка в КГП, через другую пару частиц», — говорит Ли.

Вместо поиска пар кварк–антикварк после столкновений свинцовых ионов исследователи искали события, в которых один кварк летел через плазму почти в противоположном направлении от Z-бозона.

Z-бозон — нейтральная элементарная частица, связанная с слабым взаимодействием. Он взаимодействует с окружающей плазмой очень мало, что делает его полезной «чистой» отправной точкой. Z-бозоны также появляются на характерной энергии, что облегчает их идентификацию для физиков.

«В этой супе кварк-глюонной плазмы вокруг происходит множество проходящих и сталкивающихся кварков и глюонов, — объясняет Ли. — Иногда, когда нам везет, одно из таких столкновений создаёт Z-бозон и кварк с большим импульсом».

Когда происходит такое столкновение, кварк и Z-бозон должны разлететься в противоположные стороны. Кварк может возмущать плазму и создавать вал, тогда как Z-бозон должен пройти через материал, практически не влияя на него.

Это означает, что любые рябь и возмущения плазмы с той стороны, где проходил кварк, можно отнести непосредственно к самому кварку.

Работая с группой профессора Ии Чен из Университета Вандербильта, исследователи поняли, что могут использовать Z-бозоны как «метку» для локализации и измерения валов, созданных отдельными кварками.

Валы найдены среди миллиардов столкновений

Команда проанализировала данные столкновений тяжелых ионов на Большом адронном коллайдере. Из 13 миллиардов столкновений они выделили примерно 2000 событий, в которых был произведен Z-бозон.

Для каждого такого события исследователи построили карту распределения энергии по короткоживущей кварк-глюонной плазме. Они неоднократно обнаруживали флюидоподобные шаблоны всплесков и завихрений в направлении, противоположном Z-бозону.

Поскольку сам Z-бозон практически не взаимодействует с плазмой, исследователи могли напрямую связать наблюдаемые шаблоны валов с одиночными кварками, проходившими через материал.

Наблюдаемые валы также соответствовали предсказаниям гибридной модели Раджагопала. Результаты указывают на то, что кварк-глюонная плазма действительно реагирует коллективно, как жидкость, когда через нее проходят энергичные частицы.

«Это то, что многие из нас годами считали неизбежным, и что многие эксперименты искали», — говорит Раджагопал, который не был напрямую причастен к новому исследованию.

«Мы получили первые прямые доказательства того, что кварк действительно тащит за собой больше плазмы по мере своего движения», — добавляет Ли. «Это позволит нам изучать свойства и поведение этой экзотической жидкости с беспрецедентной детализацией».

Эта работа частично финансировалась Министерством энергетики США.

Материалы предоставлены Массачусетским технологическим институтом. Оригинал написан Дженнифер Чу. Примечание: содержание могло быть отредактировано в стиле и объеме.