RW Space

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой «суп» из невообразимо плотной плазмы с температурой в триллион градусов. В ходе революционного эксперимента исследователи нашли первые доказательства того, что эта экзотическая первичная слизь действительно плескалась и кружилась, как суп.

Выражаясь более научными терминами, эту липкую массу называют кварк-глюонной плазмой, или КГП. Это была первая и самая горячая жидкость, когда-либо существовавшая. Прогнозы показывают, что в течение нескольких миллионных долей секунды он пылал в миллиард раз горячее, чем поверхность Солнца, прежде чем расширился, остыл и слился в атомы.

Как подробно описано в недавнем исследовании, группа физиков из Массачусетского технологического института и ЦЕРН воссоздала столкновения тяжелых ионов, подобные тем, которые создали КГП, чтобы изучить его свойства. Например, когда кварк течет через плазму, он отскакивает и разбрызгивается, как связная жидкость, или же он беспорядочно разлетается, как совокупность частиц?

Чтобы выяснить это, исследователи проанализировали данные о столкновениях между частицами свинца, сталкивающимися друг с другом на скорости, близкой к скорости света, внутри Большого адронного коллайдера ЦЕРН (БАК). Такие столкновения создают брызги энергичных частиц, таких как кварки, а также капли КГП, пропитавшие зарождающуюся Вселенную.

Используя уникальную стратегию, которая обеспечила более четкое представление о столкновениях тяжелых ионов, чем предыдущие эксперименты, физики проследили движение кварков через КГП и нанесли на карту энергию КГП после этих столкновений.

«Теперь мы видим, что плазма невероятно плотная, так что она способна замедлять кварк и создает брызги и завихрения, как жидкость. Таким образом, кварк-глюонная плазма на самом деле представляет собой первичный суп», — говорит физик Йен-Джи Ли из Массачусетского технологического института.

Кварки, проносящиеся через КГП, передают часть своей энергии плазме, теряя скорость и создавая след, подобный мчащемуся катеру.

«По аналогии, когда у вас есть лодка. Двигаясь по озеру, след — это вода позади лодки, которая движется в направлении лодки. Лодка передала импульс некоторой области воды, которая «следует» за ней», — сообщил ScienceAlert по электронной почте физик Массачусетского технологического института Кришна Раджагопал, разработавший модель, предсказывающую свойства жидкости QGP.

Но вместо того, чтобы видеть чистый след, как вы видите в воде, исследователям пришлось сделать вывод о его беспорядочном существовании в каплях QGP.

Для этого требуется сортировка десятков тысяч сильно взаимодействующих частиц в плазме с температурой в триллион градусов, которая обычно существует внутри БАК в течение квадриллионной доли секунды, чтобы обнаружить относительно небольшое количество частиц, смещенных следом.

Это не так. легко. Когда кварки рождаются в результате столкновений на БАКе, они никогда не существуют в одиночку, объяснил Раджагопал журналу ScienceAlert. Обычно они образуются вместе с антикварками, их аналогами-частицами, идентичными, но противоположно заряженными. Кварк и его антикварк разлетаются в противоположных направлениях с одинаковой скоростью, каждый из которых создает след и усложняет обнаружение.

Поэтому вместо поиска пар кварк-антикварк, как в предыдущих экспериментах, физики искали другую пару частиц. Иногда столкновения БАКа приводят к созданию кварка и Z-бозона — нейтральной элементарной частицы, которая не оставляет следа, поскольку не взаимодействует с КГП.

Однако такие события редки. Из 13 миллиардов столкновений БАК, проанализированных в исследовании, только около 2000 привели к образованию Z-бозона. Но из-за отсутствия взаимодействия Z-бозона с КГП исследователи наконец смогли проанализировать след, вызванный одиночным ускоряющимся кварком. Как и предсказывала модель Раджагопала, КГП реагировала как жидкость, расплескивая и закручиваясь вслед за кварком.

Раджагопал сообщил журналу ScienceAlert, что это «окончательное, безошибочное свидетельство» жидкостного поведения ККП, но давний спор о том, течет ли КГП и пульсирует, как жидкость, возможно, еще не разрешен. Другие исследователи, несомненно, будут внимательно изучать результаты.

По теме: Квантовая запутанность обнаружена в топ-кварках – самых тяжелых известных частицах

Тем не менее, этот новый метод предлагает основу для изучения аналогичных процессов в других типах высокоэнергетических столкновений, возможно, проливая свет на одно из самых загадочных веществ в истории Вселенной.

«Во многих других областях науки способ узнать о свойствах материала заключается в его нарушении в некоторых пути и измерить, как возмущение распространяется и рассеивается», — сказал Раджагопал.

И это часть того, что делает физику интересной — если вы не уверены, как что-то работает, просто разбейте это почти со скоростью света.

Это исследование опубликовано в журнале Physics Letters B.