«Первичный бульон» ранней Вселенной на самом деле был жидким, установили исследователи

Физики наблюдали первые четкие доказательства того, что кварки оставляют след, когда движутся с большой скоростью через кварк-глюонную плазму, что подтверждает, что плазма ведет себя как жидкость.

Об открытии рассказывают в Массачусетском технологическом институте (MIT), передают OstanniPodii.com.

В первые мгновения своего существования Вселенная была горячей смесью кварков и глюонов с температурой в триллион градусов. Эти элементарные частицы двигались со скоростью света, образуя «кварк-глюонную плазму», которая просуществовала всего несколько миллионных долей секунды. Затем первичная смесь быстро остыла, а отдельные кварки и глюоны слились, образовав протоны, нейтроны и другие фундаментальные частицы, которые существуют сегодня.

Физики из Большого адронного коллайдера CERN в Швейцарии воспроизводят кварк-глюонную плазму (QGP), чтобы лучше понять первоначальные компоненты Вселенной. Столкнув тяжелые ионы со скоростью, близкой к скорости света, ученые могут на короткое время вытеснить кварки и глюоны, чтобы создать и изучить тот самый материал, который существовал в течение первых микросекунд ранней Вселенной.

Сейчас команда CERN под руководством физиков MIT наблюдает четкие признаки того, что кварки создают след, когда движутся через плазму, подобно утке, оставляющей за собой волны на воде. Эти выводы являются первым прямым доказательством того, что кварк-глюонная плазма реагирует на скоростные частицы как единая жидкость, разбрызгиваясь и плескаясь в ответ, а не рассеиваясь случайно, как отдельные частицы.

«В нашей отрасли долгое время велись споры о том, должна ли плазма реагировать на кварки», — говорит Йен-Джи Ли, профессор физики MIT. «Теперь мы видим, что плазма чрезвычайно плотная, настолько, что способна замедлять кварки и образовывать брызги и вихри, как жидкость. Следовательно, кварк-глюонная плазма действительно является первичным бульоном».

Чтобы увидеть эффекты следа кварка, Ли и его коллеги разработали новую технику, о которой они сообщают в исследовании. Они планируют применить этот подход к большему количеству данных о столкновениях частиц, чтобы сосредоточиться на других следах кварков. Измерение размера, скорости и протяженности этих следов, а также времени, необходимого для их затухания и рассеивания, может дать ученым представление о свойствах самой плазмы и о том, как кварк-глюонная плазма могла вести себя в первые микросекунды существования Вселенной.

«Изучение того, как кварковые следы отражаются туда-сюда, даст нам новые представления о свойствах кварк-глюонной плазмы», — говорит Ли. «С помощью этого эксперимента мы делаем снимок этого первичного кваркового бульона».

Соавторами исследования являются члены CMS Collaboration — команды специалистов в области физики частиц со всего мира, которые совместно работают над проведением и анализом данных эксперимента «Компактный мюонный соленоид» (CMS), одного из универсальных детекторов частиц в Большом адронном коллайдере CERN. Эксперимент CMS был использован для выявления признаков эффекта кварковой волны в этом исследовании.

Тени кварков

Кварк-глюонная плазма — это первая жидкость, которая когда-либо существовала во Вселенной. Она также является самой горячей жидкостью, которая когда-либо существовала, поскольку, по оценкам ученых, во время своего короткого существования QGP имела температуру около нескольких триллионов градусов Цельсия. Считается, что эта кипящая смесь была почти «идеальной» жидкостью, то есть отдельные кварки и глюоны в плазме текли вместе как гладкая жидкость без трения.

Эта картина кварк-глюонной плазмы основана на многих независимых экспериментах и теоретических моделях. Одна из таких моделей, разработанная профессором физики MIT Кришной Раджагопалом и его коллегами, предполагает, что кварк-глюонная плазма должна реагировать как жидкость на любые частицы, пролетающие сквозь нее. Его теория, известная как гибридная модель, предполагает, что когда струя кварков пролетает через QGP, она должна оставлять за собой след, заставляющий плазму колебаться и разбрызгиваться в ответ.

Физики искали такие эффекты следа в экспериментах на Большом адронном коллайдере и других высокоэнергетических ускорителях частиц. В этих экспериментах тяжелые ионы, такие как свинец, разгоняются почти до скорости света, после чего они могут столкнуться и образовать кратковременную каплю первичного бульона, которая обычно существует менее квадриллионной доли секунды. Ученые, по сути, делают снимок этого момента, чтобы попытаться определить характеристики QGP.

Чтобы идентифицировать кварковые волны, физики искали пары кварков и «антикварков» — частиц, идентичных своим кварковым аналогам, за исключением того, что определенные свойства имеют одинаковую величину, но противоположный знак. Например, когда кварк движется с большой скоростью через плазму, вероятно, существует антикварк, который движется с точно такой же скоростью, но в противоположном направлении.

По этой причине физики искали пары кварков/антикварков в QGP, произведенных в результате столкновений тяжелых ионов, предполагая, что частицы могут образовывать идентичные следы в плазме, которые можно обнаружить.

«Когда образуются два кварка, проблема заключается в том, что, когда два кварка движутся в противоположных направлениях, один кварк затмевает след другого кварка», — говорит Ли.

Он и его коллеги поняли, что искать след первого кварка было бы проще, если бы не было второго кварка, который затмевает его эффекты.

«Мы разработали новую технику, которая позволяет нам видеть эффекты одного кварка в QGP через другую пару частиц», — говорит Ли.

Метка следа

Вместо того чтобы искать пары кварков и антикварков после столкновений ионов свинца, команда Ли искала события, в которых только один кварк двигался через плазму, по сути, спина к спине с «Z-бозоном». Z-бозон — это нейтральная, электрически слабая элементарная частица, которая практически не влияет на окружающую среду. Однако, поскольку они существуют при очень специфической энергии, Z-бозоны относительно просты для обнаружения.

«В этой смеси кварк-глюонной плазмы есть множество кварков и глюонов, проходящих мимо и сталкивающихся друг с другом», — объясняет Ли. «Иногда, когда нам повезет, одно из этих столкновений создает Z-бозон и кварк с высоким импульсом».

Во время такого столкновения две частицы должны столкнуться и отлететь в противоположных направлениях. Хотя кварк может оставить след, Z-бозон не должен влиять на окружающую плазму. Любые волны, наблюдаемые в капле первичного бульона, были бы полностью вызваны одним кварком, пролетающим через нее.

Команда в сотрудничестве с группой профессора И Чэня из Университета Вандербильта пришла к выводу, что можно использовать Z-бозоны как «метки» для определения местоположения и отслеживания следов от единичных кварков. Для своего нового исследования ученые проанализировали данные экспериментов по столкновению тяжелых ионов, проведенных на Большом адронном коллайдере. Из 13 миллиардов столкновений они идентифицировали около 2000 событий, которые привели к образованию Z-бозона. Для каждого из этих событий они составили карту энергий в кварк-глюонной плазме с короткой жизнью и последовательно наблюдали жидкоподобную структуру брызг в вихрях — эффект следа — в противоположном направлении от Z-бозонов, который команда могла непосредственно связать с эффектом единичных кварков, пролетающих сквозь плазму.

Более того, физики обнаружили, что эффекты следа, которые они наблюдали в данных, соответствовали прогнозам гибридной модели Раджагопала. Другими словами, кварк-глюонная плазма на самом деле течет и пульсирует, как жидкость, когда частицы пролетают сквозь нее.

«Это то, о чем многие из нас утверждали на протяжении многих лет и что искали во многих экспериментах», — говорит Раджагопал, не принимавший непосредственного участия в новом исследовании.

«Энь-Цзе и CMS разработали и провели измерения, которые дали им и нам первые четкие, ясные и однозначные доказательства существования этого фундаментального явления», — говорит Даниэль Паблос, профессор физики в Университете Овьедо в Испании и сотрудник Раджагопала, который не участвовал в этом исследовании.

«Мы получили первые прямые доказательства того, что кварк действительно тянет за собой больше плазмы во время движения», — добавляет Ли. «Это позволит нам изучить свойства и поведение этой экзотической жидкости с беспрецедентной детальностью».

Исследование было опубликовано в журнале Physics Letters B.

• физика элементарных частиц