«Первородный бульон» Большого взрыва правда был жидкостью, она текла со скоростью света

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная не была заполнена атомами, звёздами или даже протонами. Она представляла собой раскаленную смесь кварков и глюонов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Вместе они образовали состояние, известное как кварк-глюонная плазма (кварковый суп), — кратковременную фазу, которая длилась всего несколько миллионных долей секунды, прежде чем остыть достаточно, чтобы кварки и глюоны объединились в протоны, нейтроны и другие частицы, которые до сих пор формируют космос.

Ученые сейчас заняты воссозданием кварк-глюонной плазмы (КГП), чтобы изучить это исчезнувшее на ранних стадиях состояние материи в лабораторных условиях. Когда тяжелые ионы сталкиваются друг с другом со скоростью, близкой к скорости света, они могут на короткое время высвободить кварки и глюоны из обычной материи и образовать крошечные капли того же вещества, которое заполняло Вселенную в первые микросекунды ее существования.

Кварк-глюонная плазма — первая жидкость, когда-либо существовавшая во Вселенной. Это также самая горячая жидкость из когда-либо существовавших, поскольку ее составляла около нескольких триллионов градусов Цельсия. Считается также, что эта кипящая масса была почти «идеальной» жидкостью, то есть отдельные кварки и глюоны в плазме текли вместе без трения. Эта картина основана на множестве независимых экспериментов и теоретических моделей. 

Одна из таких моделей предсказывает, что кварк-глюонная плазма должна реагировать как жидкость на любые частицы, проходящие через неё с большой скоростью. Гибридная модель предполагает: когда струя кварков проносится через КГП, она должна создавать след, вызывая в ответ рябь и разбрызгивание плазмы. Физики искали подобные эффекты в экспериментах на Большом адронном коллайдере и других ускорителях. В этих экспериментах тяжелые ионы разгоняются почти до скорости света, после чего они могут столкнуться и образовать кратковременную каплю «первобытного бульона», обычно существующую менее одной квадриллионной доли секунды.

Для идентификации кварковых следов физики искали пары кварков и «антикварков» — частиц, идентичных своим кварковым аналогам, за исключением того, что некоторые их свойства равны по величине, но противоположны по знаку. Например, когда кварк движется с большой скоростью в плазме, вероятно, существует антикварк, движущийся с точно такой же скоростью, но в противоположном направлении.

По этой причине физики искали пары кварк/антикварк в КГП, образующиеся при столкновениях тяжелых ионов, предполагая, что эти частицы могут создавать идентичные, обнаруживаемые следы в плазме.

Они предположили, что искать след первого кварка будет проще, если не будет второго кварка, заслоняющего его действие.

Авторы исследования разработали новую методику, которая позволяет наблюдать влияние отдельного кварка на КГП через другую пару частиц. Иными словами, команда искала события, в которых через плазму двигался только один кварк, по сути, спина к спине с «Z-бозоном». Z-бозон — это нейтральная, электрически слабая элементарная частица, которая практически не оказывает влияния на окружающую среду. Однако Z-бозоны относительно легко обнаружить, поскольку они существуют при очень специфической энергии.

Команда исследователей предположила, что Z-бозоны можно использовать в качестве метки для обнаружения и отслеживания эффектов следа от отдельных кварков. Ученые проанализировали данные экспериментов по столкновениям тяжелых ионов на Большом адронном коллайдере. Из 13 миллиардов столкновений они выявили около 2000 событий, в результате которых образовался Z-бозон. Для каждого из этих событий они отобразили распределение энергии по короткоживущей кварк-глюонной плазме и последовательно наблюдали жидкообразную картину всплесков в вихрях — эффект следа — в направлении, противоположном направлению движения Z-бозонов, что получилось напрямую объяснить эффектом движения отдельных кварков в плазме.

Между учеными давно ведутся дебаты о том, должна ли плазма реагировать на кварки. Теперь очевидно, что плазма невероятно плотная — настолько, что способна замедлять кварки и создавать брызги и вихри, как жидкость. Таким образом, кварк-глюонная плазма действительно представляет собой «бульон».

Также в ходе эксперимента физики обнаружили, что наблюдаемые эффекты следа в данных согласуются с предсказаниями гибридной модели. Результаты являются первым прямым доказательством того, что плазма ведет себя не как рыхлое облако частиц. Вместо этого ее поведение напоминает плотную жидкость, движение которой может распространяться наружу от одного быстро движущегося кварка.

Фактически ученые получили моментальный «снимок» первоначальной кварковой смеси. Исследование опубликовано в журнале Physics Letters B.