Как выглядела Вселенная в первые микросекунды: на Большом адронном коллайдере доказали жидкую природу первичной материи

Почему кварк-глюонную плазму больше не считают хаосом: что показал эксперимент на БАК

Долгие годы физики спорили: что такое кварк-глюонная плазма — хаотичный газ из свободных частиц или нечто более сложное? Недавний анализ данных детектора CMS на Большом адронном коллайдере поставил точку. Оказалось, это не газ, а сверхплотная жидкость с жесткой структурой. И она реагирует на пролетающие частицы как единое целое. Разберемся, как удалось это измерить и почему открытие меняет наше представление о первых мгновениях Вселенной.

Идеальный зонд: почему Z-бозон стал ключом

Чтобы заглянуть внутрь плазмы, физики используют метод жесткого зондирования. Они сталкивают ядра свинца на околосветовых скоростях. В точке соударения на миллиардные доли секунды возникает микроскопическая капля плазмы. Температура там в сотни тысяч раз выше, чем в центре Солнца. Но как измерить, что происходит внутри, если плазма живет слишком коротко?

Трюк в том, чтобы поймать частицу, которая пробивает плазму насквозь и вылетает наружу. Но обычные частицы (кварки, глюоны) теряют энергию в плазме — это называется гашением джетов. Как узнать, сколько энергии они потеряли, если не знаешь, сколько у них было изначально?

Решение нашли редкое и элегантное. Исследователи CMS отобрали события, в которых одновременно рождаются Z-бозон и кварк, летящие в противоположные стороны. Z-бозон не участвует в сильном взаимодействии — он проходит сквозь плазму без потерь, как призрак. Зафиксировав его энергию и импульс, ученые получают точную копию начальных параметров кварка (по закону сохранения импульса). Теперь можно сравнить, с какой энергией кварк вошел в плазму и с какой вылетел (вернее, во что он превратился).

Z-бозон — идеальный калибровочный инструмент. Он абсолютно прозрачен для сильного ядерного взаимодействия, поэтому дает эталон, относительно которого измеряется воздействие плазмы на кварк.

Два эффекта, которые перевернули теорию

Анализируя данные столкновений свинца (PbPb) в 2018 году и сравнивая их с протон-протонными (pp) столкновениями (где плазма не образуется), физики увидели нечто странное. В свинцовых столкновениях, когда кварк прошивал плазму, возникали два явления, которых не было в протонных.

• Избыток частиц спереди. В направлении движения кварка количество низкоэнергетических адронов резко возрастало. Кварк толкал перед собой частицы плазмы, создавая уплотнение — как лыжник, утрамбовывающий снег.
• Зона истощения сзади. За кварком, в противоположном направлении (туда, где улетел Z-бозон), образовывался дефицит частиц. Плазма не успевала заполнить пустоту, оставленную пролетевшей частицей — как след от пули в воде, который схлопывается не сразу.

Оба эффекта усиливались в лобовых столкновениях, где объем плазмы максимален, и исчезали в периферийных касательных ударах. Значит, это не случайность, а закономерное свойство самой среды.

Личное наблюдение автора. Недавно я смотрел симуляцию такого столкновения — там видно, как от пролетающего кварка расходятся волны, а позади действительно образуется темный «коридор». Зрелище завораживает, хотя длится все это меньше, чем триллионная доля секунды.

Газ или жидкость? Сравнительная таблица

Чтобы понять, насколько важен результат, сравним две модели плазмы.

Как это работает: гидродинамика субатомного масштаба

Процесс можно объяснить за три шага. Первый: кварк влетает в плазму с огромной энергией (сотни ГэВ). Он начинает тормозить, передавая энергию окружающим частицам. Второй: эта энергия «термализуется» — превращается в локальный нагрев, что вызывает резкий перепад давления. Третий: плазма как единая среда начинает течь: вещество сдвигается вперед перед кварком, а позади образуется область пониженной плотности — та самая зона истощения. Высокая вязкость не позволяет пустоте схлопнуться мгновенно, поэтому ее удается зарегистрировать через низкоэнергетические адроны.

Плазма ведет себя не как облако бильярдных шаров, а как густой кисель, в котором пролетающая частица вырезает целый канал.

Что это значит для науки

Открытие CMS доказывает: в первые микросекунды после Большого взрыва материя была не хаотическим газом, а сверхплотной, сильно взаимодействующей жидкостью. Она обладала макроскопическими свойствами — гидродинамическими потоками, перепадами давления, упругими возмущениями. Это меняет наши модели формирования ранней Вселенной и помогает лучше понять, как из такой жидкости потом «затвердели» протоны и нейтроны.

От себя добавлю: каждый раз, когда очередной «очевидный» постулат теории рушится под натиском данных, наука делает шаг вперед. То, что плазма оказалась жидкостью, — не просто красивый факт. Это ключ к управлению экстремальными состояниями вещества. Возможно, когда-нибудь мы научимся создавать такие условия в лабораториях и использовать их для новых технологий. А пока — просто наслаждаемся тем, как физики на Большом адронном коллайдере ловят призраков и измеряют следы от пуль в незримой субстанции.