Физики обнаружили следы кварков в материи ранней Вселенной
В первые моменты после возникновения Вселенной существовало уникальное состояние материи, где кварки и глюоны перемещались при температурах, достигающих нескольких триллионов градусов. В настоящее время физики способны воспроизводить кратковременную кварк-глюонную плазму в результате столкновений тяжелых ионов на Большом адронном коллайдере. Об этом пишет портал Известия.
Недавно исследователи получили прямые доказательства того, что кварки, проходя через эту плазму, создают волны и вихревые движения, схожие со следами частиц в жидкости. О том, как кварки оставляют следы в материи ранней Вселенной, рассказывается в материале «Известий».
Исследование, опубликованное в журнале Physics Letters B, сосредоточилось на том, как кварк-глюонная плазма реагирует на быстро движущуюся частицу. В результате ученые заметили характерные изменения в распределении энергии — всплески и вихревое движение — в области, противоположной направлению зарегистрированного Z-бозона.
Полученные данные соответствуют теоретическим расчетам, согласно которым плазма должна реагировать на движение кварка как жидкость.
Йенджи Ли, профессор физики в Массачусетском технологическом институте, отметил, что в научном сообществе давно обсуждается, должна ли плазма реагировать на кварки. Теперь стало очевидно, что плазма обладает такой плотностью, что может замедлять кварки и создавать вихри, как это делает жидкость. Таким образом, кварк-глюонная плазма действительно представляет собой первобытный бульон.
Температура в ранней Вселенной достигала нескольких триллионов градусов, и кварки с глюонами находились в состоянии, известном как кварк-глюонная плазма. По мере расширения и охлаждения Вселенной они объединились в протоны, нейтроны и другие частицы, из которых состоит современная материя.
Кварк-глюонная плазма считается состоянием материи, существовавшим в самые ранние моменты истории Вселенной. Она образуется и сегодня в экспериментах при столкновениях тяжелых ионов, но существует крайне недолго.
На Большом адронном коллайдере физики воссоздают небольшие объемы такой плазмы, сталкивая тяжелые ионы почти со скоростью света. Капли кварк-глюонной плазмы живут менее одной квадриллионной доли секунды, что делает их наблюдение невозможным — свойства плазмы восстанавливаются по распределению частиц, появившихся после столкновения.
Ранее ученые пытались обнаружить следы движения кварков, исследуя пары кварка и антикварка. Однако такой подход создавал сложности: частицы движутся в противоположных направлениях и могут оставлять перекрывающиеся следы, что затрудняет определение вклада каждого кварка.
Йенджи Ли объяснил, что когда образуются два кварка, один из них может затмевать след от второго. Исследователи разработали новую методику, позволяющую наблюдать влияние отдельного кварка на кварк-глюонную плазму через другую пару частиц.
Для этого использовали Z-бозон как метку. Поскольку Z-бозон почти не взаимодействует с окружающей плазмой, его можно использовать как ориентир для определения направления движения кварка.
Z-бозон — нейтральная элементарная частица, связанная со слабым взаимодействием. В некоторых столкновениях кварк и Z-бозон образуются с большими импульсами и разлетаются в противоположных направлениях.
Это позволило искать изменения в плазме именно на стороне, где должен был двигаться кварк. Возникающие там волны и другие возмущения можно было связать с воздействием отдельной частицы.
Команда проанализировала данные о примерно 13 млрд столкновений тяжелых ионов на Большом адронном коллайдере, выделив около 2 тыс. событий, в которых образовывался Z-бозон.
Для этих событий ученые проследили, как энергия распределялась в краткоживущей кварк-глюонной плазме. В направлении, противоположном Z-бозону, неоднократно возникала характерная картина с всплесками и вихревым движением. Поскольку сам Z-бозон почти не взаимодействует с плазмой, наблюдаемые возмущения связали с движением кварка.
Полученные результаты согласовались с предсказаниями гидродинамической модели.
Йенджи Ли подытожил, что команда получила первые прямые доказательства того, что кварк действительно увлекает за собой больше плазмы во время своего движения. Это позволит изучать свойства и поведение этой экзотической жидкости с беспрецедентной детализацией.
