Как выглядела Вселенная в первые микросекунды: на Большом адронном коллайдере доказали жидкую природу первичной материи
Как изучать свойства материи, которая существовала лишь в первые микросекунды после Большого взрыва? Это состояние называется кварк-глюонной плазмой. В обычных условиях нашего мира кварки и связывающие их глюоны навсегда заперты внутри протонов и нейтронов под действием сильного ядерного взаимодействия. Однако при экстремальных температурах и огромной плотности эта связь разрушается. Протоны и нейтроны буквально плавятся, образуя первичную субстанцию, в которой фундаментальные частицы перемещаются свободно.
Единственный способ воссоздать кварк-глюонную плазму на Земле — использовать гигантские ускорители частиц. На Большом адронном коллайдере (БАК) физики сталкивают тяжелые ядра свинца на скоростях, предельно близких к скорости света. В точке их соударения на миллиардные доли секунды возникает микроскопическая капля плазмы, температура которой в сотни тысяч раз превышает температуру в центре Солнца. Из-за очень короткого времени жизни эту плазму невозможно изучать напрямую. Физикам приходится анализировать то, что остается после ее остывания и распада на десятки тысяч обычных частиц.
Долгие годы наука пыталась понять не только то, как образуется эта среда, но и как она ведет себя в динамике. Является ли она простым скоплением независимых частиц или действует как единая сложная структура? Недавно коллаборация CMS (один из главных детекторов на Большом адронном коллайдере) опубликовала результаты сложнейшего анализа данных, который дал окончательный ответ на этот вопрос. Исследователям впервые удалось зафиксировать и измерить макроскопический отклик кварк-глюонной плазмы на прохождение сквозь нее единичной высокоэнергетической частицы.
Проблема потерянной энергии и радиационный хаос
Чтобы изучить внутреннюю структуру плазмы, физики используют метод жесткого зондирования. При столкновении двух ядер свинца иногда происходит прямое, лобовое соударение отдельных фундаментальных частиц (партонов) внутри этих ядер. В результате такого жесткого взаимодействия две частицы получают огромный импульс и разлетаются в строго противоположных направлениях.
В идеальном вакууме они летели бы бесконечно. Но в условиях коллайдера одна из частиц или обе неизбежно должны пробить себе путь сквозь только что образовавшуюся кварк-глюонную плазму. Проходя через эту сверхплотную среду, высокоэнергетический кварк непрерывно сталкивается с другими частицами. Он теряет свою изначальную энергию и распадается на широкий конус более медленных осколков — этот процесс в физике элементарных частиц называется гашением джетов.
Потерянная энергия никуда не исчезает согласно законам термодинамики. Она передается самой плазме. Теоретические расчеты давно предполагали, что эта энергия должна вызывать в плазме структурные возмущения, перераспределяя частицы и меняя локальную температуру среды.
Однако на практике зафиксировать это считалось почти невозможным. Столкновение ядер свинца рождает колоссальный шумовой фон — десятки тысяч частиц летят во все стороны одновременно. Найти среди них именно те низкоэнергетические частицы, которые появились в результате реакции среды на пролет конкретного кварка, — математическая задача невероятной сложности. Кроме того, чтобы рассчитать, сколько энергии потерял кварк, необходимо абсолютно точно знать, каким импульсом он обладал до входа в плазму. Детекторы же способны зафиксировать только конечный результат на выходе.
Идеальная калибровка: использование Z-бозонов
Решение этой проблемы потребовало поиска очень редких и специфических событий в массиве данных. Исследователи эксперимента CMS сфокусировались на столкновениях, в которых одной из разлетающихся частиц был кварк, а второй — Z-бозон.
Выбор Z-бозона стал ключом ко всему исследованию благодаря его уникальным физическим свойствам. Z-бозон является массивной частицей, отвечающей за перенос слабого ядерного взаимодействия. При этом он абсолютно невосприимчив к сильному ядерному взаимодействию — той самой силе, которая формирует кварк-глюонную плазму и тормозит обычные частицы.
С точки зрения физики процессов, происходящих в коллайдере, Z-бозон проходит сквозь сверхплотную плазму без малейшего сопротивления, не теряя энергии и не отклоняясь от своей траектории. Зафиксировав параметры Z-бозона, покинувшего зону реакции, ученые получают эталонную величину. Закон сохранения импульса гласит, что парный кварк, полетевший в противоположную сторону, имел точно такой же изначальный импульс. Таким образом, Z-бозон выступил в роли безупречного калибровочного инструмента, позволившего физикам отделить изначальные параметры кварка от того воздействия, которое оказала на него плазма.
Выявление гидродинамической структуры
Имея точную точку отсчета, инженеры и аналитики CMS приступили к обработке массива данных, собранных в 2018 году во время столкновений тяжелых ионов свинца. Эти данные были сопоставлены с результатами 2017 года, когда в коллайдере сталкивали обычные протоны — в этих событиях плазма не образуется, что позволяет использовать их как контрольный образец (референс) вакуумной среды.
Процесс анализа включал очень сложные алгоритмы подавления фона. Ученые использовали метод «смешивания событий», чтобы математически вычесть из результатов случайные совпадения и частицы, не имеющие отношения к изучаемому процессу. Главный фокус был направлен на заряженные адроны с низким поперечным импульсом — от 1 до 2 электронвольт (ГэВ). Именно в этот энергетический диапазон должна была перейти потерянная высокоэнергетическим кварком энергия. Ученые анализировали распределение этих медленных частиц в пространстве относительно оси, заданной полетом Z-бозона и кварка.
В результате строгого статистического анализа исследователи зафиксировали два эффекта, которые присутствовали в свинцовых столкновениях, но полностью отсутствовали в протонных:
- Избыток частиц по вектору движения. В направлении движения кварка, пробивающего плазму, было зафиксировано значительное увеличение количества низкоэнергетических частиц. Кинетическая энергия, которую терял высокоэнергетический кварк, передавалась среде, инициируя направленное смещение материи. Кварк выталкивал частицы плазмы перед собой, формируя структурное уплотнение.
- Зона истощения. Самым важным открытием стало то, что происходило на противоположной стороне вектора — в направлении, куда улетел Z-бозон (в этой зоне находится область пространства позади летящего кварка). Данные CMS показали статистически значимый дефицит частиц в этой области по сравнению с контрольными протонными столкновениями. Физики обнаружили зону пространственного разрежения. Кварк, смещая материю по вектору своего движения, оставлял за собой область пространства, обедненную частицами и энергией.
Важно отметить, что оба структурных феномена оказались зависимы от так называемой «центральности» столкновения. В глубоких лобовых столкновениях ядер свинца, где объем образующейся кварк-глюонной плазмы достигает максимума, и избыток спереди, и зона истощения позади выражены наиболее ярко. В периферийных столкновениях, когда ядра лишь задевают друг друга по касательной и объем плазмы минимален, показатели распределения частиц возвращаются к значениям вакуумных протонных соударений.
Столкновение эксперимента с теорией
Данные, полученные коллаборацией CMS, имеют определяющее значение для понимания того, как устроена материя на фундаментальном уровне. На протяжении десятилетий среди теоретиков существовало предположение, что при таких сверхэкстремальных температурах вещество должно вести себя как идеальный газ — хаотичное облако независимых партонов, которые движутся свободно и лишь изредка сталкиваются друг с другом.
Эксперимент полностью опровергает эту гипотезу. Результаты CMS доказывают, что кварк-глюонная плазма обладает жесткой макроскопической структурой и демонстрирует свойства непрерывной, сильно взаимодействующей жидкости.
Сопоставление экспериментальных данных с теоретическими вычислениями показало, что стандартные алгоритмы (такие как PYTHIA), рассчитывающие поведение изолированных частиц в вакууме, абсолютно неспособны предсказать появление зоны разрежения. Совпадение с реальностью продемонстрировали только сложные гибридные математические модели (Co-LBT, JEWEL с учетом отдачи), которые применяют к квантовым системам законы гидродинамики и термодинамики.
Теперь физикам предельно понятна внутренняя механика этого процесса. Когда высокоэнергетический кварк прошивает плазму, он взаимодействует не с отдельными случайными частицами на своем пути, а со всем объемом среды одновременно. Колоссальная энергия кварка трансформируется в локальный нагрев среды (термализуется). Этот нагрев вызывает резкий перепад макроскопического давления.
В результате внутри плазмы возникает направленный гидродинамический поток. Вещество ведет себя как единая пластичная масса: перед пролетающей частицей физически сдвигается плотный фронт материи, а позади нее остается структурная пустота — коридор истощения, из которого субатомная субстанция была выдавлена и куда она еще не успела сомкнуться из-за высокой вязкости процесса на сверхмалых временных интервалах.
Впервые зафиксировав и измерив эту зону разрежения, физики доказали, что материя в первые мгновения существования Вселенной представляла собой сверхплотную «супообразную» среду — то, что исследователи классифицируют как непрерывную кварк-глюонную жидкость с экстремально сильным внутренним взаимодействием. В таком состоянии фундаментальные частицы не перемещаются изолированно в пустоте, а образуют единую макроскопическую массу, способную гидродинамически перераспределять энергию, формировать перепады давления и структурно реагировать на любые субатомные возмущения.
Источник:Physics Letters B
