Самая странная жидкость во Вселенной: Как на самом деле ведёт себя материя Большого взрыва

Представьте себе криминалистическую загадку. Есть «пуля» — поток частиц высокой энергии, — которая, проходя через некую среду, необъяснимо теряет свою мощь. Она не рикошетит, не останавливается, но на выходе оказывается слабее, чем была на входе. Куда делась энергия? Неужели законы физики дали сбой? Именно таким «расследованием» занимаются учёные на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), а в роли таинственной среды выступает самая экзотическая материя, какую только можно вообразить, — кварк-глюонная плазма.

Недавние результаты, опубликованные коллаборацией STAR, наконец-то представили решающие улики в этом деле. Оказывается, энергия не исчезает. Она просто… выплескивается в стороны.

Лабораторный Большой взрыв в миниатюре

Чтобы понять суть открытия, нужно сначала заглянуть в «котёл», где физики варят саму историю Вселенной. Кварк-глюонная плазма (КГП) — это не просто очередная диковинка из мира частиц. Это состояние, в котором вся наша Вселенная пребывала в первые микросекунды после Большого взрыва. В те мгновения привычные нам протоны и нейтроны ещё не существовали. Их строительные блоки — кварки и связывающие их глюоны — свободно плавали в невероятно горячем и плотном «первичном супе».

На коллайдере RHIC учёные воссоздают эти условия на ничтожно малую долю секунды. Они разгоняют ядра тяжёлых атомов золота почти до скорости света и сталкивают их лбами. От чудовищной энергии столкновения атомные ядра буквально «плавятся», на мгновение высвобождая своих пленников — кварки и глюоны. Это и есть наша КГП, окно в прошлое на 13,8 миллиарда лет назад. Проблема в том, что это окно открыто меньше чем на триллионную долю триллионной доли секунды. Как изучить то, что исчезает быстрее, чем вы моргнёте?

Безупречный свидетель и хитрый зонд

Здесь физики применили гениальный метод, напоминающий работу следователя. В некоторых столкновениях рождается не только КГП, но и пара частиц, разлетающихся в противоположные стороны:

1. «Зонд» (или та самая «пуля»): Струя частиц (джет), рождённая выбитым из ядра кварком или глюоном. Эта струя вынуждена пробиваться сквозь плотную КГП.
2. «Свидетель»: Фотон — частица света.

В чём уникальность фотона? Он — идеальный свидетель. Не имея электрического заряда и не участвуя в сильных взаимодействиях (которые удерживают кварки вместе), фотон пролетает сквозь кварк-глюонную плазму, словно призрак сквозь стену. Он её попросту не замечает. Его энергия, зафиксированная детектором, служит точным и неискажённым эталоном — мы знаем, какой была изначальная энергия в этой паре частиц.

А вот его «напарнику», джету, приходится несладко. Он взаимодействует с плазмой, теряет энергию и выходит из неё «потрёпанным». Сравнивая энергию вылетевшего джета с энергией его безупречного «свидетеля"-фотона, учёные могут точно измерить, сколько энергии было потеряно. Это явление назвали «подавлением струй», и оно давно не давало покоя физикам.

Анализ «брызг»: куда ушла энергия?

Предыдущие исследования были похожи на попытку оценить урон от пули, глядя только на саму пулю. Новые результаты от STAR — это как тщательное изучение всех брызг и осколков вокруг. Учёные начали измерять энергию не только в узком «конусе» по траектории джета, но и в более широком, захватывая его периферию.

И картина прояснилась.

• В обычных столкновениях (протон-протонных), где КГП нет, почти вся энергия джета сконцентрирована в узком пучке. Как лазерная указка.
• В столкновениях с образованием КГП всё иначе. В центре джета действительно стало меньше высокоэнергетических частиц. Но зато на периферии, в широком конусе, появилось множество низкоэнергетических частиц, которых там быть не должно!

Энергия не испарилась — она перераспределилась. Проходя через плазму, частицы джета расталкивали её компоненты, возбуждали их, порождая каскад вторичных, менее энергичных частиц. Это похоже на то, как скоростной катер, идущий по воде, оставляет за собой не только кильватерный след, но и широкие волны, расходящиеся в стороны. Потеря скорости катера (энергии джета) полностью компенсируется энергией этих волн (боковых «брызг»). Закон сохранения энергии торжествует даже в самых экстремальных условиях.

Что скрывается за рябью на воде?

Это открытие — гораздо больше, чем просто решение старой загадки. Оно даёт мощный инструмент для изучения свойств самой КГП.

Во-первых, учёные установили, что для «сбора» почти всей потерянной энергии достаточно конуса с углом в 30 градусов. Это не просто техническая деталь, а физическое ограничение. Оно говорит о том, как далеко и как быстро распространяются возмущения в плазме, что напрямую связано с её вязкостью. КГП часто называют «идеальной жидкостью» из-за её невероятно низкого трения. Новые данные помогут уточнить, насколько она на самом деле идеальна.

Во-вторых, теперь у физиков есть способ калибровать свои «зонды». Изучая, как меняется картина «брызг» в зависимости от того, как долго джет летел сквозь плазму (например, прошёл по краю или через самый центр), можно составить трёхмерную карту свойств этого первичного бульона.

В конечном счёте, каждое такое столкновение в Брукхейвене — это не просто фейерверк из частиц. Это тщательно поставленный эксперимент, позволяющий нам задавать вопросы материи в её самом юном и загадочном состоянии. И пусть мы не можем построить машину времени, но, наблюдая за этими крошечными «брызгами Большого взрыва», мы по крупицам восстанавливаем первые мгновения существования всего, что нас окружает. Каждый такой всплеск — это ещё один пиксель в невероятно детальной картине нашего космического прошлого.