Кварк пролетает сквозь кварк-глюонную плазму, создавая в ней вихревой след. «Изучение того, как вихревые следы кварков отражаются друг от друга, даст нам новое представление о свойствах кварк-глюонной плазмы», — говорит Йен-Цзе Ли. Фото: Хосе-Луис Оливарес, Массачусетский технологический институт

В первые мгновения существования Вселенной температура достигала триллионов градусов, что привело к образованию сильно нагретой смеси кварков и глюонов. Эти элементарные частицы двигались почти со скоростью света в состоянии вещества, известном как кварк-глюонная плазма (КГП). Этот первичный материал существовал всего несколько миллионных долей секунды, после чего быстро остыл, что позволило кваркам и глюонам объединиться в протоны, нейтроны и другие частицы, которые сегодня встречаются по всей Вселенной.

На Большом адронном коллайдере в ЦЕРН в Швейцарии физики воссоздают кварк-глюонную плазму, чтобы исследовать компоненты, которыми была заполнена молодая Вселенная. Столкнув тяжелые ионы почти со скоростью света, исследователи могут на короткое время разделить кварки и глюоны и получить небольшое количество той же материи, которая существовала в первые микросекунды существования Вселенной.

Кварки оставляют за собой следы в первичной плазме

Группа ученых из ЦЕРН под руководством физиков из Массачусетского технологического института нашла явные доказательства того, что кварки оставляют за собой следы при движении через эту плазму, подобно тому, как утка оставляет за собой рябь, когда плывет по воде. Эти наблюдения стали первым прямым доказательством того, что кварк-глюонная плазма реагирует на быстро движущиеся частицы как единая жидкость, создавая волны, всплески и вихревые движения, а не просто ведет себя как совокупность независимо рассеивающихся частиц.

«В нашей области уже давно ведутся споры о том, должна ли плазма реагировать на кварк», — говорит Йен-Цзе Ли, профессор физики в Массачусетском технологическом институте. «Теперь мы видим, что плазма невероятно плотная, настолько, что способна замедлять кварки, а также образует брызги и завихрения, как жидкость. Так что кварк-глюонная плазма — это действительно первозданный суп».

Ли и его коллеги разработали новый метод обнаружения этих кварковых следов. Они планируют использовать этот метод на дополнительных данных о столкновениях частиц, чтобы найти больше примеров и изучить их более детально.

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

«Изучение того, как кварковые следы отражаются друг от друга, даст нам новое представление о свойствах кварк-глюонной плазмы», — говорит Ли. «С помощью этого эксперимента мы делаем снимок этого первичного кваркового супа».

Соавторы исследования — члены коллаборации CMS, международной группы физиков-ядерщиков, которые проводят и анализируют эксперименты с использованием Компактного мюонного соленоида (CMS) — одного из детекторов частиц общего назначения на Большом адронном коллайдере ЦЕРН. В этом исследовании ученые использовали эксперимент CMS для выявления признаков кварковых следов. Результаты исследования опубликованы в открытом доступе в журнале Physics Letters B.

Первая жидкость во Вселенной

Считается, что кварк-глюонная плазма была первой жидкостью во Вселенной. Кроме того, это была самая горячая из когда-либо известных жидкостей, температура которой за время ее недолгого существования достигала нескольких триллионов градусов по Цельсию.

Ученые также называют кварк-глюонную плазму почти «идеальной» жидкостью. В этом необычном состоянии отдельные кварки и глюоны движутся как исключительно гладкая жидкость практически без трения.

Это понимание основано на многочисленных экспериментах и теоретических исследованиях. Одну из влиятельных моделей разработали Кришна Раджагопал, профессор физики в Массачусетском технологическом институте, и его коллеги. Эта модель, известная как гибридная, предполагает, что кварк-глюонная плазма должна вести себя как жидкость, когда через нее проходят энергичные частицы.

Согласно этой модели, быстро движущаяся струя кварков должна возмущать окружающую плазму и оставлять за собой след, из-за чего материал будет колебаться и разбрызгиваться.

Физики годами искали доказательства существования этих следов на Большом адронном коллайдере и других ускорителях частиц высоких энергий. В этих экспериментах тяжелые ионы, такие как свинец, разгоняются почти до скорости света и сталкиваются друг с другом. В результате столкновений на короткое время образуются крошечные капли первичной материи, которые обычно существуют менее чем одну квадриллионную долю секунды.

Исследователи должны эффективно запечатлеть этот мимолетный момент и использовать полученные данные о частицах для восстановления свойств кварк-глюонной плазмы.

Почему было сложно обнаружить кварковые следы

Предыдущие поиски кварковых следов часто были сосредоточены на парах, состоящих из кварка и «антикварка». Антикварки — это аналоги кварков, у которых некоторые свойства имеют одинаковую величину, но противоположные знаки.

Когда кварк быстро движется через плазму, может образоваться антикварк, который будет двигаться с той же скоростью, но в противоположном направлении. Поэтому ученые искали пары кварков и антикварков, предполагая, что обе частицы будут оставлять заметные следы в окружающей плазме.

Такой подход породил серьезную проблему.

«Когда образуются два кварка, проблема заключается в том, что, когда два кварка движутся в противоположных направлениях, один из них перекрывает след второго», — говорит Ли.

Ли и его коллеги поняли, что след от одного кварка будет гораздо проще обнаружить, если не будет второго кварка, создающего перекрывающееся возмущение.

«Мы разработали новый метод, который позволяет нам увидеть влияние одного кварка на кварк-глюонную плазму через другую пару частиц», — говорит Ли.

Использование Z-бозонов в качестве «маяка»

Вместо того чтобы искать пары кварков и антикварков после столкновений ионов свинца, исследователи искали события, в которых один кварк пролетал через плазму почти в противоположном направлении от «Z-бозона».

Z-бозон — это нейтральная элементарная частица, связанная со слабым взаимодействием. Она очень слабо взаимодействует с окружающей плазмой, что делает ее полезной в качестве чистой контрольной точки. Z-бозоны также появляются при определенной энергии, поэтому физикам относительно легко их идентифицировать.

«В этом бульоне кварк-глюонной плазмы множество кварков и глюонов пролетают мимо и сталкиваются друг с другом», — объясняет Ли. «Иногда, когда нам везёт, в результате одного из таких столкновений образуются Z-бозон и кварк с большим импульсом».

При таком столкновении кварк и Z-бозон должны разлететься в противоположных направлениях. Кварк может возмутить плазму и вызвать турбулентность, в то время как Z-бозон должен пройти сквозь плазму, не оказав существенного влияния на окружающий материал.

Это означает, что любая рябь, появляющаяся в плазме со стороны кварка, может быть вызвана самим кварком.

Работая с группой профессора Йи Чена из Университета Вандербильта, исследователи поняли, что могут использовать Z-бозоны в качестве «метки» для определения местоположения и измерения спинов, создаваемых отдельными кварками.

Среди миллиардов столкновений были обнаружены бозоны W

Команда проанализировала данные о столкновениях тяжелых ионов на Большом адронном коллайдере. Среди 13 миллиардов столкновений они выявили около 2000 событий, в которых образовался Z-бозон.

Для каждого из этих событий исследователи составили карту распределения энергии в короткоживущей кварк-глюонной плазме. Они неоднократно обнаруживали похожие на жидкость всплески и вихревые движения в направлении, противоположном движению Z-бозона.

Поскольку сам Z-бозон почти не взаимодействует с плазмой, исследователи могли связать эти вихревые движения непосредственно с отдельными кварками, пролетающими через материал.

Наблюдаемые вихревые движения также соответствовали предсказаниям гибридной модели Раджагопала. Результаты показывают, что кварк-глюонная плазма действительно ведет себя коллективно как жидкость, когда через нее проходят энергичные частицы.

«Многие из нас уже много лет утверждают, что это так, и многие эксперименты были направлены на поиск этого явления», — говорит Раджагопал, который не принимал непосредственного участия в новом исследовании.

«Мы получили первое прямое доказательство того, что кварк действительно увлекает за собой больше плазмы по мере своего движения», — добавляет Ли. «Это позволит нам с беспрецедентной точностью изучить свойства и поведение этой экзотической жидкости».