«Первинний бульйон» раннього Всесвіту насправді був рідким, встановили дослідники

Фізики спостерігали перші чіткі докази того, що кварки створюють слід, коли рухаються з великою швидкістю крізь кварк-глюонну плазму, що підтверджує, що плазма поводиться як рідина.

Про відкриття розповідають в Массачусетському технологічному інституті (MIT), передають OstanniPodii.com.

У перші миті свого існування Всесвіт був гарячою сумішшю кварків і глюонів з температурою в трильйон градусів. Ці елементарні частинки рухалися зі швидкістю світла, утворюючи «кварк-глюонну плазму», яка проіснувала лише кілька мільйонних часток секунди. Потім первинна суміш швидко охолола, а окремі кварки та глюони злилися, утворивши протони, нейтрони та інші фундаментальні частинки, які існують сьогодні.

Фізики з Великого адронного колайдера CERN у Швейцарії відтворюють кварк-глюонну плазму (QGP), щоб краще зрозуміти початкові компоненти Всесвіту. Зіштовхуючи важкі іони зі швидкістю, близькою до швидкості світла, вчені можуть на короткий час витіснити кварки та глюони, щоб створити та вивчити той самий матеріал, який існував протягом перших мікросекунд раннього Всесвіту.

Зараз команда CERN під керівництвом фізиків MIT спостерігає чіткі ознаки того, що кварки створюють слід, коли рухаються через плазму, подібно до качки, яка залишає за собою хвилі на воді. Ці висновки є першим прямим доказом того, що кварк-глюонна плазма реагує на швидкісні частинки як єдина рідина, розбризкуючись і хлюпаючись у відповідь, а не розсіюючись випадково, як окремі частинки.

«У нашій галузі тривалий час точилися суперечки щодо того, чи повинна плазма реагувати на кварки», — каже Єн-Джі Лі, професор фізики MIT. «Тепер ми бачимо, що плазма є надзвичайно щільною, настільки, що здатна уповільнювати кварки та утворювати бризки та вихори, як рідина. Отже, кварк-глюонна плазма дійсно є первинним бульйоном».

Щоб побачити ефекти сліду кварка, Лі та його колеги розробили нову техніку, про яку вони повідомляють у дослідженні. Вони планують застосувати цей підхід до більшої кількості даних про зіткнення частинок, щоб зосередитися на інших слідах кварків. Вимірювання розміру, швидкості та протяжності цих слідів, а також часу, необхідного для їхнього згасання та розсіювання, може дати вченим уявлення про властивості самої плазми та про те, як кварк-глюонна плазма могла поводитися в перші мікросекунди існування Всесвіту.

«Вивчення того, як кваркові сліди відбиваються туди-сюди, дасть нам нові уявлення про властивості кварк-глюонної плазми», — каже Лі. «За допомогою цього експерименту ми робимо знімок цього первинного кваркового бульйону».

Співавторами дослідження є члени CMS Collaboration — команди фахівців у фізиці частинок з усього світу, які спільно працюють над проведенням та аналізом даних експерименту "Компактний мюонний соленоїд" (CMS), одного з універсальних детекторів частинок у Великому адронному колайдері CERN. Експеримент CMS був використаний для виявлення ознак ефекту кваркової хвилі в цьому дослідженні.

Тіні кварків

Кварк-глюонна плазма — це перша рідина, яка коли-небудь існувала у Всесвіті. Вона також є найгарячішою рідиною, яка коли-небудь існувала, оскільки, за оцінками вчених, під час свого короткого існування QGP мала температуру близько декількох трильйонів градусів Цельсія. Вважається, що ця кипляча суміш була майже «ідеальною» рідиною, тобто окремі кварки та глюони в плазмі текли разом як гладка рідина без тертя.

Ця картина кварк-глюонної плазми ґрунтується на багатьох незалежних експериментах і теоретичних моделях. Одна з таких моделей, розроблена професором фізики MIT Крішною Раджагопалом та його колегами, передбачає, що кварк-глюонна плазма повинна реагувати як рідина на будь-які частинки, що пролітають крізь неї. Його теорія, відома як гібридна модель, передбачає, що коли струмінь кварків пролітає крізь QGP, він повинен створювати за собою слід, що змушує плазму коливатися та розбризкуватися у відповідь.

Фізики шукали такі ефекти сліду в експериментах на Великому адронному колайдері та інших високоенергетичних прискорювачах частинок. У цих експериментах важкі іони, такі як свинець, розганяються майже до швидкості світла, після чого вони можуть зіткнутися та утворити короткочасну краплю первинного бульйону, яка зазвичай існує менше квадрильйонної частки секунди. Вчені, по суті, роблять знімок цього моменту, щоб спробувати визначити характеристики QGP.

Щоб ідентифікувати кваркові хвилі, фізики шукали пари кварків та «антикварків» — частинок, ідентичних своїм кварковим аналогам, за винятком того, що певні властивості мають однакову величину, але протилежний знак. Наприклад, коли кварк рухається з великою швидкістю через плазму, ймовірно, існує антикварк, який рухається з точно такою ж швидкістю, але в протилежному напрямку.

З цієї причини фізики шукали пари кварків/антикварків у QGP, вироблених у результаті зіткнень важких іонів, припускаючи, що частинки можуть утворювати ідентичні сліди в плазмі, які можна виявити.

«Коли утворюються два кварки, проблема полягає в тому, що, коли два кварки рухаються в протилежних напрямках, один кварк затьмарює слід другого кварка», — каже Лі.

Він і його колеги зрозуміли, що шукати слід першого кварка було б простіше, якби не було другого кварка, який затьмарює його ефекти.

«Ми розробили нову техніку, яка дозволяє нам бачити ефекти одного кварка в QGP через іншу пару частинок», — каже Лі.

Мітка сліду

Замість того щоб шукати пари кварків та антикварків після зіткнень іонів свинцю, команда Лі шукала події, в яких лише один кварк рухався через плазму, по суті, спина до спини із «Z-бозоном». Z-бозон — це нейтральна, електрично слабка елементарна частинка, яка практично не впливає на навколишнє середовище. Однак, оскільки вони існують при дуже специфічній енергії, Z-бозони відносно прості для виявлення.

«У цій суміші кварк-глюонної плазми є безліч кварків і глюонів, які проходять повз і зіштовхуються один з одним», — пояснює Лі. «Іноді, коли нам пощастить, одне з цих зіткнень створює Z-бозон і кварк з високим імпульсом».

Під час такого зіткнення дві частинки повинні зіткнутися та відлетіти в протилежних напрямках. Хоча кварк може залишити слід, Z-бозон не повинен впливати на навколишню плазму. Будь-які хвилі, що спостерігаються в краплі первинного бульйону, були б повністю спричинені одним кварком, що пролітає крізь неї.

Команда у співпраці з групою професора І Ченя з Університету Вандербільта дійшла висновку, що можна використовувати Z-бозони як «мітки» для визначення місця розташування та відстеження слідів від одиничних кварків. Для свого нового дослідження вчені проаналізували дані експериментів з зіткненням важких іонів, проведених на Великому адронному колайдері. З 13 мільярдів зіткнень вони ідентифікували близько 2000 подій, які призвели до утворення Z-бозона. Для кожної з цих подій вони склали карту енергій у кварк-глюонній плазмі з коротким життям і послідовно спостерігали рідиноподібну структуру бризок у вихорах — ефект сліду — у протилежному напрямку від Z-бозонів, який команда могла безпосередньо пов′язати з ефектом одиничних кварків, що пролітають крізь плазму.

Що більше, фізики виявили, що ефекти сліду, які вони спостерігали в даних, відповідали прогнозам гібридної моделі Раджагопала. Іншими словами, кварк-глюонна плазма насправді тече та пульсує, як рідина, коли частинки пролітають крізь неї.

«Це те, про що багато з нас стверджували протягом багатьох років і що шукали в багатьох експериментах», — каже Раджагопал, який не брав безпосередньої участі в новому дослідженні.

«Єнь-Цзе та CMS розробили й провели вимірювання, яке дало їм і нам перші чіткі, ясні та однозначні докази існування цього фундаментального явища», — каже Даніель Паблос, професор фізики в Університеті Ов′єдо в Іспанії та співробітник Раджагопала, який не брав участі в цьому дослідженні.

«Ми отримали перші прямі докази того, що кварк дійсно тягне за собою більше плазми під час руху», — додає Лі. «Це дозволить нам вивчити властивості та поведінку цієї екзотичної рідини з безпрецедентною детальністю».

Дослідження було опубліковано в журналі Physics Letters B.

• фізика елементарних частинок