Физики получили первое прямое свидетельство того, что кварк, проходя через кварк-глюонную плазму, оставляет за собой волну, подобную следу лодки на воде. Исследование провела команда CERN под руководством специалистов Массачусетского технологического института, а результаты опубликованы в журнале Physics Letters B.
Кварк-глюонная плазма считается первой жидкостью во Вселенной. Она возникла в первые мгновения после её появления, когда температура достигала нескольких триллионов градусов, а кварки и глюоны двигались почти со скоростью света. Это состояние сохранялось лишь несколько миллионных долей секунды, после чего вещество остыло, и частицы объединились в протоны, нейтроны и другие элементы.
Сегодня подобную среду в небольших объёмах создают на Большом адронном коллайдере CERN в Швейцарии. Для этого тяжёлые ионы, например свинец, разгоняют почти до скорости света и сталкивают друг с другом. Образующиеся капли плазмы существуют менее квадриллионной доли секунды, поэтому учёным приходится восстанавливать её свойства по следам частиц, возникших после столкновения.
Ранее исследователи в основном искали следы, возникающие при движении пары из кварка и антикварка. Однако два направленных в разные стороны потока создавали перекрывающиеся возмущения, из-за чего обнаружить отдельный след было трудно. «Когда у нас образуются два кварка, проблема заключается в том, что один кварк затмевает след второго», — сказал профессор физики MIT Йен-Дзе Ли.
Чтобы решить эту задачу, учёные использовали Z-бозон — нейтральную элементарную частицу, связанную со слабым взаимодействием. Она почти не взаимодействует с плазмой и появляется при характерной энергии, поэтому может служить ориентиром. В редких случаях столкновение порождает Z-бозон и кварк, разлетающиеся в противоположных направлениях: кварк возмущает плазму, а бозон проходит через неё почти бесследно.
Исследователи из группы Ли совместно с командой профессора Университета Вандербильта И Чэня изучили данные 13 млрд столкновений и нашли около 2 тыс. событий с рождением Z-бозона. На стороне, противоположной направлению этой частицы, они неоднократно фиксировали всплески энергии и закрученные движения, соответствующие следу кварка. Наблюдения совпали с предсказаниями гибридной модели, разработанной профессором MIT Кришной Раджагопалом, и показали, что плазма ведёт себя как единая жидкость. «Теперь мы видим, что плазма невероятно плотная: она способна замедлить кварк и создаёт всплески и завихрения, как жидкость. Значит, кварк-глюонная плазма действительно является первобытным супом», — отметил Ли. Учёные рассчитывают, что измерение размеров, скорости распространения и времени затухания таких следов поможет точнее определить свойства плазмы, существовавшей в первые микросекунды Вселенной.