Учёные впервые подтвердили, что кварк-глюонная плазма ведёт себя как жидкость в эксперименте на CERN

Исследователи из коллаборации CMS Collaboration сделали важное открытие, предоставив прямые экспериментальные данные о поведении кварк-глюонной плазмы — состояния материи, существовавшего в первые мгновения после Большого взрыва. Это состояние, характеризующееся высокой температурой в триллионы градусов, может быть воссоздано только в условиях таких экспериментов, как на Большом адронном коллайдере, где сталкиваются тяжёлые ионы свинца.

В своих экспериментах учёные применили метод «томографии» для изучения плазмы. В ходе редких столкновений, в которых одновременно образуются кварк и Z-бозон (нейтральная частица, не взаимодействующая с сильной энергией среды), кварк теряет часть своей энергии, проходя через плазму, тогда как Z-бозон свободно покидает область столкновения, сохраняя информацию о начальном импульсе. Это даёт возможность точно определить, сколько энергии передал кварк и как она распределилась в среде.

В исследовании использовались данные столкновений свинцовых ионов при энергии 5,02 ТэВ и контрольные выборки из событий с протонами. Учёные изучили пары мюонов, образующиеся при распаде Z-бозонов, и проанализировали распределение множества сопутствующих заряженных частиц. Специальная методика позволила выявить тонкие зависимости между направлением Z-бозона и «мягкими» адронами с низким импульсом. В центральных столкновениях, где создаётся наиболее плотная плазма, был отмечен характерный «провал» в количестве частиц вблизи Z-бозона, а на противоположной стороне наблюдался избыток частиц, что свидетельствует о влиянии объёма и плотности среды.

Полученный провал интерпретируется как диффузионный след, где движущийся кварк «вырывает» компоненты плазмы, создавая область с пониженной плотностью. Сравнение результатов с теоретическими моделями показало, что стандартные расчёты в рамках квантовой хромодинамики не могут учесть отклик среды, необходимый для объяснения наблюдаемой структуры. Наилучшие результаты были достигнуты с помощью гибридных моделей, которые учитывают как сильные взаимодействия, так и гидродинамические процессы.

Это исследование стало первым случаем, когда удалось выделить эффект коллективного отклика на уровне Z-бозона, свободном от искажений, связанных с образованием струй. Результаты работы накладывают серьёзные ограничения на вязкость кварк-глюонной плазмы и её динамические характеристики, а также помогают понять, как микроскопические взаимодействия кварков формируют макроскопическое движение материи. Фактически физики смогли запечатлеть, как выглядела материя в ранней Вселенной: не как разрозненный газ частиц, а как плотная и текучая среда. Эти результаты открывают новые горизонты для проверки теорий ранней космологической эволюции и изучения самых экстремальных форм материи.

Читайте также: