Первые микросекунды Вселенной: физики разглядели «рябь» в супе из кварков и глюонов

Ученые, используя самый мощный в мире ускоритель частиц — Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе, — обнаружили, что первородный «суп» Вселенной, разогретый до триллионов градусов и существовавший первые микросекунды после Большого взрыва, вел себя как жидкость, что делает это сравнение с супом буквальным.

Этот первичный суп представлял собой плазму из частиц под названием кварки и глюоны, которые при стремительном охлаждении соединились, образовав фундаментальные частицы, такие как протоны и нейтроны. Сегодня именно они лежат в основе всех атомов, составляющих окружающую нас материю. В современном мире кварки и глюоны существуют только в связанном состоянии внутри более крупных частиц. Однако, сталкивая на околосветовых скоростях тяжелые ядра свинца в БАК, ученые могут создать высокоэнергетическую среду, которая на мгновение освобождает кварки и глюоны, воссоздавая кварк-глюонную плазму ранней Вселенной.

Команда исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) с помощью 27-километрового ускорителя вблизи Женевы смогла не только получить эту псевдопервородную плазму, но и впервые наблюдать уникальное явление: кварки, проносясь сквозь нее, создавали «кильватерные следы» — подобно тому, как лодка оставляет след на воде. Это стало первым прямым свидетельством того, что кварк-глюонная плазма реагирует на пролетающие частицы именно как жидкость: она плещется и расходится волнами, ведя себя как единая сплошная среда, а не как набор хаотично разлетающихся отдельных частиц. Такая когерентность означает, что плазма была именно жидкостью, а не просто текучей средой, включающей также и газы.

«В нашем сообществе долгое время велись дебаты о том, должна ли плазма реагировать на кварк, — заявил в своем обращении член команды, профессор физики MIT Ень-Джи Ли. — Теперь мы видим, что плазма невероятно плотна, настолько, что способна замедлить кварк и порождает брызги и водовороты, как жидкость. Так что кварк-глюонная плазма действительно является первородным супом».

Как разглядеть рябь в кварковом супе?

Чтобы наблюдать эти следы, Ли и его коллеги использовали детектор CMS (Компактный мюонный соленоид) на БАК, разработав методику, которая также позволила измерить размер, скорость и протяженность волн, а также время их затухания. Эта информация крайне важна для понимания как свойств самой плазмы, так и ее поведения в первые мгновения жизни космоса.

«Изучение того, как кильватерные волны кварков взаимодействуют со средой, даст нам новое понимание свойств кварк-глюонной плазмы, — объяснил Ли. — С помощью этого эксперимента мы делаем моментальный снимок этого первичного кваркового супа».

Самый горячий «суп» во Вселенной

Кварк-глюонная плазма была не только первой жидкостью во Вселенной, но и самой горячей из когда-либо существовавших — ее температура достигала многих триллионов градусов. Считается, что это была почти «идеальная жидкость», то есть ее компоненты текли вместе как гладкая, лишенная трения среда.

Хотя существует множество моделей кварк-глюонной плазмы, одна из них, так называемая «гибридная модель», предполагает, что этот первородный суп должен реагировать на пролетающие частицы, как и любая другая жидкость. Согласно этой модели, струя кварков, движущаяся сквозь плазму, обязана создавать кильватерный след, вызывая рябь в этом «океане».

Гениальный обходной путь: вместо кварка — Z-бозон

Долгое время попытки зафиксировать этот эффект сталкивались с проблемой: при столкновениях рождались пары кварк-антикварк, летящие в противоположные стороны, и след одного перекрывал след другого. Команда MIT нашла элегантное решение: вместо поиска пар кварков они стали искать события, где кварк рождался вместе с нейтральной элементарной частицей — Z-бозоном.

«Преимущество Z-бозонов в том, что они обладают определенной энергией, и их относительно легко обнаружить, — отметил Ли. — В этом супе из кварк-глюонной плазмы много кварков и глюонов, которые сталкиваются друг с другом. Иногда, если нам везет, одно из таких столкновений рождает Z-бозон и кварк с высоким импульсом».

В таком сценарии кварк и Z-бозон разлетаются в противоположные направления. Кварк оставляет след в плазме, а Z-бозон — нет, поскольку практически не взаимодействует с ней. Таким образом, любая наблюдаемая рябь обязана своим возникновением исключительно кварку.

Результат: 2000 следов из 13 миллиардов столкновений

Проанализировав 13 миллиардов столкновений на БАК, команда выявила около 2000 событий с рождением Z-бозона. В этих случаях ученые последовательно наблюдали характерную жидкостную картину «всплесков», распространяющихся в направлении, противоположном движению Z-бозонов. Это и был долгожданный кильватерный след кварка. Наблюдаемая картина в точности соответствовала предсказаниям гибридной модели.

«Мы получили первые прямые доказательства того, что кварк действительно "тащит" за собой часть плазмы при движении, — заключил Ли. — Это позволит нам изучать свойства и поведение этой экзотической жидкости с невиданной ранее детальностью».

Исследование команды было опубликовано в журнале Physics Letters B. Это открытие не только проливает свет на первые моменты существования Вселенной, но и предоставляет уникальный инструмент для изучения экстремальных состояний материи, которые могут существовать в ядрах нейтронных звезд. Таким образом, эксперименты на БАК продолжают служить мостом между микро- и макромиром, помогая нам понять фундаментальные законы, управляющие всем сущим.