Физики из Массачусетского технологического института (MIT) наблюдали первые явные доказательства того, что кварки создают след, когда они движутся через кварк-глюонную плазму, подтверждая, что плазма ведёт себя как жидкость.
В первые моменты младенческая Вселенная представляла собой суп из кварков и глюонов с температурой в триллион градусов. Эти элементарные частицы двигались со скоростью света, создавая «кварк-глюонную плазму», которая существовала всего несколько миллионных долей секунды. Затем этот первозданный суп быстро охладился, а его отдельные кварки и глюоны соединились, образовав протоны, нейтроны и другие фундаментальные частицы, существующие сегодня.
Физики из ЦЕРН на Большом адронном коллайдере в Швейцарии воссоздают кварк-глюонную плазму (QGP), чтобы лучше понять начальные ингредиенты Вселенной. Столкновения тяжёлых ионов почти со скоростью света позволяют учёным на короткое время высвобождать кварки и глюоны, создавая и изучая тот же материал, который существовал в первые микросекунды ранней Вселенной.
Команда из ЦЕРН под руководством физиков из MIT обнаружила явные признаки того, что кварки создают следы при движении через плазму, подобно тому как утка оставляет рябь на воде.
Результаты являются первым прямым доказательством того, что кварк-глюонная плазма реагирует на движущиеся частицы как единая жидкость, плескаясь и брызгая в ответ, а не рассеиваясь случайным образом, как отдельные частицы.
«Это был долгий спор в нашей области о том, должна ли плазма реагировать на кварк, — говорит Йен-Джи Ли, профессор физики в MIT. — Теперь мы видим, что плазма невероятно плотная, такая, что она способна замедлять кварк и создаёт всплески и завихрения, как жидкость. Итак, кварк-глюонная плазма действительно является первозданным супом».
Чтобы увидеть эффекты следа кварка, Ли и его коллеги разработали новую методику, о которой они сообщают в исследовании.
Они планируют применить этот подход к большему объёму данных о столкновениях частиц, чтобы точнее определить другие следы кварков. Измерение размера, скорости и протяжённости этих следов, а также времени, которое требуется для их ослабления и рассеивания, может дать учёным представление о свойствах самой плазмы и о том, как кварк-глюонная плазма могла вести себя в первые микросекунды существования Вселенной.
«Изучение того, как следы кварков отражаются туда и обратно, даст нам новое представление о свойствах кварк-глюонной плазмы», — говорит Ли. «С помощью этого эксперимента мы делаем снимок этого первозданного кваркового супа».
Соавторами исследования являются члены коллаборации CMS — команда физиков-элементарщиков со всего мира, которые работают вместе, чтобы проводить и анализировать данные эксперимента Compact Muon Solenoid (CMS), который является одним из общего назначения детекторов частиц на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. Эксперимент CMS использовался для обнаружения признаков эффектов следа кварка в этом исследовании. Исследование опубликовано в открытом доступе в журнале Physics Letters B.
Кварковые тени
Кварк-глюонная плазма — это первая жидкость, которая когда-либо существовала во Вселенной. Это также самая горячая жидкость, поскольку учёные оценивают, что во время её краткого существования QGP достигала нескольких триллионов градусов Цельсия. Считается, что эта кипящая смесь была почти «идеальной» жидкостью, а это означает, что отдельные кварки и глюоны в плазме текли вместе как гладкая, без трения жидкость.
Эта картина QGP основана на многочисленных независимых экспериментах и теоретических моделях. Одна из таких моделей, разработанная Кришной Раджагопалом, профессором физики Уильяма А. М. Бёрдена в MIT, и его сотрудниками, предсказывает, что кварк-глюонная плазма должна вести себя как жидкость по отношению к любым частицам, движущимся через неё. Его теория, известная как гибридная модель, предполагает, что, когда струя кварков движется через QGP, она должна создавать след позади себя, заставляя плазму рябить и плескаться в ответ.
Физики искали подобные эффекты следа в экспериментах на Большом адронном коллайдере и других ускорителях частиц высоких энергий. Эти эксперименты разгоняют тяжёлые ионы, такие как свинец, почти до скорости света, после чего они могут столкнуться и произвести короткоживущую каплю первозданного супа, обычно длящуюся менее чем квадриллионную долю секунды. Учёные по сути делают снимок этого момента, чтобы попытаться определить характеристики QGP.
Чтобы идентифицировать следы кварков, физики искали пары кварков и «антикварков» — частиц, которые идентичны своим кварковым аналогам, за исключением того, что некоторые свойства равны по величине, но противоположны по знаку. Например, когда кварк движется через плазму, вероятно, существует антикварк, который движется с точно такой же скоростью, но в противоположном направлении.
Вместо того чтобы искать пары кварков и антикварков после столкновений ионов свинца, команда Ли искала события с одним кварком, движущимся через плазму, по сути, спина к спине с Z-бозоном.
Z-бозон — это нейтральная, электрически слабая элементарная частица, которая практически не влияет на окружающую среду. Однако, поскольку они существуют при очень специфической энергии, Z-бозоны относительно легко обнаружить.
«В этом супе кварк-глюонной плазмы есть множество кварков и глюонов, которые сталкиваются друг с другом, — объясняет Ли. — Иногда, когда нам везёт, одно из этих столкновений создаёт Z-бозон и кварк с высоким импульсом».
В таком столкновении две частицы должны столкнуться и разлететься в точном противоположном направлении. В то время как кварк может оставить след, Z-бозон не должен влиять на окружающую плазму. Любые наблюдаемые в капле всплески были бы сделаны исключительно одним кварком, проносящимся через неё.
Команда в сотрудничестве с группой профессора И Чена из Университета Вандербильта рассудила, что они могут использовать Z-бозоны в качестве «метки» для обнаружения и отслеживания эффектов следа одиночных кварков. Для своего нового исследования учёные изучили данные экспериментов с тяжёлыми ионами на Большом адронном коллайдере. Из 13 миллиардов столкновений они идентифицировали около 2000 событий, в которых был обнаружен Z-бозон. Для каждого из этих событий они нанесли на карту энергии в короткоживущей кварк-глюонной плазме и последовательно наблюдали жидкостный узор всплесков и завихрений — эффект следа — в направлении, противоположном Z-бозонам, который команда могла напрямую связать с эффектом одиночных кварков, проносящихся через плазму.
Более того, физики обнаружили, что эффекты следа, которые они наблюдали в данных, согласуются с тем, что предсказывает гибридная модель Раджагопала. Другими словами, кварк-глюонная плазма действительно течёт и рябит как жидкость, когда через неё движутся частицы.
«Это то, о чём многие из нас утверждали, что это должно быть, в течение многих лет, и что многие эксперименты искали», — говорит Раджагопал, который не принимал непосредственного участия в новом исследовании.
«То, что Йен-Джи и CMS сделали, — это разработать и провести измерение, которое принесло им и нам первые чистые, ясные, однозначные доказательства этого основополагающего явления», — говорит Даниэль Паблос, профессор физики в Университете Овьедо в Испании и сотрудник Раджагопала, который не участвовал в текущем исследовании.
«Мы получили первые прямые доказательства того, что кварк действительно увлекает за собой больше плазмы, когда движется, — добавляет Ли. — Это позволит нам изучить свойства и поведение этой экзотической жидкости с беспрецедентной детализацией».
Эта работа была частично поддержана Министерством энергетики США.
Статья: «Доказательства отклика среды на жёсткие зонды с использованием корреляций Z-бозонов с адронами в столкновениях тяжёлых ионов».