Физики получили первое прямое свидетельство того, что кварки оставляют за собой волны и завихрения в кварк-глюонной плазме — сверхгорячем веществе, существовавшем в первые мгновения после рождения Вселенной. Исследователи сравнили это явление со следом, который утка оставляет на поверхности воды. Результаты показывают, что плазма ведёт себя как единая жидкость, а не как набор частиц, сталкивающихся независимо друг от друга.
Наблюдения выполнила команда CERN под руководством физиков Массачусетского технологического института с помощью детектора CMS на Большом адронном коллайдере. Учёные изучили столкновения тяжёлых ионов, разогнанных почти до скорости света. В таких экспериментах на короткое время возникают микроскопические капли вещества, похожего на материю ранней Вселенной.
Для поиска следов отдельных кварков исследователи использовали Z-бозоны — нейтральные элементарные частицы, почти не взаимодействующие с плазмой. Если кварк и Z-бозон рождаются при столкновении и разлетаются в противоположных направлениях, Z-бозон служит ориентиром, а возникающие на другой стороне волны можно связать именно с движением кварка. Такой подход позволил избежать наложения следов двух частиц, которое мешало прежним поискам, основанным на парах кварк–антикварк.
В массиве из 13 млрд столкновений специалисты нашли около 2 тыс. событий с образованием Z-бозона. Для каждого из них они восстановили распределение энергии в быстро исчезающей плазме и обнаружили характерные всплески и вихревое движение в направлении, противоположном Z-бозону. Наблюдаемая картина совпала с предсказаниями гибридной модели, разработанной профессором физики MIT Кришной Раджагопалом и его коллегами.
Кварк-глюонная плазма считается первой жидкостью Вселенной и самой горячей из известных жидкостей: её температура достигала нескольких триллионов градусов Цельсия. В этом состоянии кварки и глюоны движутся совместно как почти идеальная жидкость с очень низким трением. По словам профессора физики MIT Йен-Джея Ли, плазма настолько плотная, что способна замедлять кварк и создавать вокруг него «всплески и завихрения, как жидкость», поэтому её действительно можно назвать первобытным супом.
Новая методика позволит изучать размер, скорость распространения, протяжённость и время затухания кварковых следов. Эти параметры помогут точнее определить свойства плазмы и понять, как она вела себя в первые микросекунды существования Вселенной. «С помощью этого эксперимента мы делаем снимок этого первобытного кваркового супа», — сказал Ли; результаты исследования опубликованы в журнале Physics Letters B, а работа частично поддержана Министерством энергетики США.