Физики впервые увидели, как «первичный суп» Вселенной плескается, как жидкость
Сразу после Большого взрыва Вселенную заполняла кварк‑глюонная плазма с температурой в триллионы градусов — её часто называют «первичным супом». Команда из MIT и ЦЕРН впервые получила прямые доказательства того, что эта раскалённая субстанция плескалась и закручивалась, как густая жидкость, а не разлетающийся газ частиц. Результаты опубликованы в журнале Physics Letters B.
Эксперимент на Большом адронном коллайдере впервые дал прямые свидетельства того, что кварк‑глюонная плазма — вещество, из которого была сделана Вселенная в первые доли секунды после Большого взрыва, — ведёт себя как плотная жидкость. Исследователи из MIT и коллаборации CMS в ЦЕРН показали, что пролетающий через эту среду одиночный кварк оставляет за собой «шлейф» возмущений, как катер, идущий по воде.
Сразу после рождения Вселенная представляла собой раскалённую кварк‑глюонную плазму с температурой в несколько триллионов градусов, где частицы материи и силы свободно «плавали» друг среди друга. В условиях Большого адронного коллайдера физики воссоздают крошечные капли этой плазмы, сталкивая тяжёлые ионы свинца на околосветовых скоростях.
В новом анализе учёные использовали нетривиальный подход: вместо привычных пар кварк–антикварк они отобрали сверхредкие события, в которых рождается Z‑бозон и одиночный высокоэнергичный кварк. Z‑бозон почти не взаимодействует с плазмой и служит «маячком», фиксирующим исходную энергию и направление процесса. Из примерно 13 миллиардов столкновений удалось выделить около 2000 таких событий, достаточно чистых для детального анализа структуры следов в плазме.
Оказалось, что по мере движения через плотную среду кварк заметно теряет энергию и возбуждает вокруг себя характерные брызги и вихри — «просыпающийся след», который указывает на коллективное, жидкоподобное поведение плазмы. Вместо хаотичного рассеяния отдельных частиц плазма реагирует на пролетающий кварк как единое целое, образуя волны и завихрения, что исследователи называют однозначным признаком её жидкой природы.
По словам физиков, это первые столь ясные доказательства того, что «первичный суп» ранней Вселенной был не просто горячим газом, а почти идеальной жидкостью с очень малой вязкостью. В будущем подобные измерения помогут точнее описать, как эта жидкая плазма переносит энергию и импульс и как её свойства повлияли на эволюцию Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва.
Справка:
Кварк‑глюонная плазма — это состояние вещества, при котором кварки и глюоны больше не связаны внутри протонов и нейтронов, а образуют плотный «бульон» фундаментальных частиц. Теория и эксперименты на RHIC и LHC уже намекали, что эта плазма ведёт себя как почти идеальная жидкость с рекордно низкой вязкостью, но до сих пор не удавалось явно увидеть, как отдельный быстрый кварк «разбрызгивает» эту среду.
Использование Z‑бозона как нейтрального тега позволяет практически «выключить» влияние среды на одну из частиц и точно измерить, что происходит с партнёром‑кварком. Такое «томографическое» зондирование даёт новый инструмент для изучения плотности, вязкости и скорости звука в кварк‑глюонной плазме и делает модели ранней Вселенной более точными.