Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой крайне плотную плазму с температурой в триллионы градусов, похожую на «суп». В ходе эксперимента исследователи получили первые свидетельства того, что эта первобытная масса действительно плескалась и закручивалась, как жидкость, а результаты работы опубликованы в журнале Physics Letters B.
Если говорить точнее, речь идет о кварк-глюонной плазме, которую называют первой и самой горячей жидкостью в истории, при этом она существовала лишь очень короткое время. По оценкам, эта среда была в миллиард раз горячее поверхности Солнца в течение нескольких миллионных долей секунды, после чего расширилась, остыла и в итоге сформировала атомы.
Чтобы изучить свойства такой материи, физики из Массачусетского технологического института и ЦЕРНа воспроизвели столкновения тяжелых ионов, которые по условиям похожи на процессы ранней Вселенной. Ученых интересовало, как ведет себя кварк, проходя через эту среду: рассеивается ли он случайно, как в наборе отдельных частиц, или движется так, будто окружен сплошной жидкостью. Для этого они анализировали данные о столкновениях ядер свинца на скоростях, близких к скорости света, внутри Большого адронного коллайдера, где возникают потоки энергичных частиц и маленькие «капли» кварк-глюонной плазмы.
Применив более точный подход к разбору таких событий, исследователи смогли проследить движение кварков в плазме и оценить энергию среды после столкновений. «Теперь мы видим, что плазма невероятно плотная, настолько, что способна замедлять кварк и создавать брызги и вихри, как жидкость. Таким образом, кварк-глюонная плазма действительно представляет собой первобытный бульон», — пояснил физик Йен-Джи Ли. Отмечается, что кварки, пролетая через плазму, передают ей часть энергии, теряют скорость и оставляют за собой след, похожий на кильватер от быстроходного катера.
Физик Кришна Раджагопал, разработавший модель поведения этой среды, сравнил процесс с движением лодки по озеру: «По аналогии, когда лодка движется по озеру, кильватерный след — это вода позади лодки, которая движется в направлении её движения. Лодка передаёт импульс некоторой области воды, которая “следует” за ней». При этом наблюдать такой «след» напрямую сложно, потому что кварки обычно рождаются не по одному, а вместе с антикварками, и две частицы разлетаются в противоположные стороны, создавая запутанную картину.
Поэтому вместо привычного поиска пар кварк—антикварк ученые сосредоточились на редких случаях, когда появляется кварк и Z-бозон, который не взаимодействует с плазмой и не оставляет следа. Из 13 млрд столкновений в коллайдере, рассмотренных в работе, примерно 2000 привели к образованию Z-бозона, и это позволило изучить «кильватер» от одного быстро движущегося кварка. Как отмечается в материале, плазма реагировала как жидкость, а Раджагопал назвал это «однозначное, неопровержимое доказательство» жидкоподобного поведения кварк-глюонной плазмы, хотя обсуждение этой темы, вероятно, будет продолжено.
