В первые мгновения существования Вселенной температура достигала триллионов градусов. В таких условиях образовывалась раскалённая смесь кварков и глюонов — элементарных частиц, которые носились со скоростью, близкой к скорости света. Это состояние материи называют кварк-глюонной плазмой. Первичное вещество просуществовало всего несколько миллионных долей секунды, после чего быстро остыло, и кварки с глюонами соединились в протоны, нейтроны и другие частицы, из которых состоит современная Вселенная.
На Большом адронном коллайдере в Швейцарии физики воссоздают кварк-глюонную плазму, чтобы изучить состав вещества, заполнявшего молодую Вселенную. Сталкивая тяжёлые ионы на околосветовых скоростях, исследователи на короткое время разделяют кварки и глюоны и получают небольшие количества той же материи, что существовала в первые микросекунды после Большого взрыва. Группа учёных под руководством физиков Массачусетского технологического института (MIT) обнаружила явные свидетельства того, что кварки создают волны-следы при движении сквозь эту плазму, подобно тому как утка оставляет круги на воде.
Эти наблюдения впервые напрямую подтверждают, что кварк-глюонная плазма реагирует на быстрые частицы как единая жидкость, образуя волны, всплески и вихревое движение, а не ведёт себя как набор независимо рассеивающихся частиц. «В нашей области долго шли споры о том, должна ли плазма реагировать на кварк, — говорит Ень-Цзе Ли, профессор физики MIT. — Теперь мы видим, что плазма невероятно плотная, она способна замедлить кварк и создаёт всплески и завихрения, как жидкость. Так что кварк-глюонная плазма действительно является первичным супом».
Ли и его коллеги разработали новый метод обнаружения кварковых следов. Они планируют применить эту технику к дополнительным данным о столкновениях частиц, чтобы найти больше примеров и изучить их подробнее. Измеряя размеры следов, скорость их распространения, протяжённость и время затухания, учёные смогут определить важные свойства кварк-глюонной плазмы. Эти измерения также могут дать ключ к пониманию того, как плазма вела себя в первые микросекунды после начала существования Вселенной. «Изучение того, как кварковые следы колеблются туда-сюда, даст нам новые представления о свойствах кварк-глюонной плазмы, — отмечает Ли. — В этом эксперименте мы делаем снимок первичного кваркового супа».
Соавторами исследования выступили участники коллаборации CMS — международной группы физиков-элементарщиков, которые проводят и анализируют эксперименты с использованием компактного мюонного соленоида (CMS), одного из универсальных детекторов частиц на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. В данной работе исследователи применяли эксперимент CMS для выявления признаков кварковых следов. Результаты с открытым доступом опубликованы в журнале Physics Letters B.
Считается, что кварк-глюонная плазма была первой жидкостью во Вселенной. Она же являлась самой горячей из известных жидкостей, достигая температуры в несколько триллионов градусов Цельсия за время своего недолгого существования. Учёные также описывают её как почти «идеальную» жидкость: в этом необычном состоянии отдельные кварки и глюоны движутся совместно как исключительно гладкая субстанция почти без трения. Такое понимание сложилось благодаря множеству экспериментов и теоретических исследований. Одну из влиятельных моделей разработал Кришна Раджагопал, профессор физики имени Уильяма А. М. Бёрдена в MIT, вместе с коллегами. Эта гибридная модель предсказывает, что кварк-глюонная плазма должна реагировать как жидкость, когда через неё проходят энергичные частицы. Согласно модели, быстрый поток кварков должен возмущать окружающую плазму и оставлять за собой след, заставляя материал рябить и разбрызгиваться.