Физики ЦЕРН впервые зафиксировали «гашение струй» в столкновениях ядер кислорода

Цель эксперимента не заключалась в буквальном воссоздании рождения Вселенной. Ученые стремятся смоделировать условия спустя несколько микросекунд после этого события, когда температуры были столь невероятно высоки, что протоны и нейтроны еще не могли сформироваться в привычном для нас виде. Вся материя в тот период представляла собой так называемую кварк-глюонную плазму (КГП) — сверхплотную и раскаленную смесь фундаментальных частиц, из которых состоят все окружающие нас элементы (адроны). Для простоты её можно представить как бурлящий «первобытный суп».

Этот «первобытный суп» (кварк-глюонная плазма) кардинально отличается от обычной плазмы, изучаемой в термоядерных реакторах. Если в последней мы имеем дело со смесью заряженных атомов (ионов) и свободных электронов, то КГП — это принципиально иное состояние, где освобожденные кварки и глюоны намертво связаны друг с другом посредством сильного ядерного взаимодействия.

Предыдущие эксперименты показывали, что уже через миллионную долю секунды после Большого взрыва это вещество начинало вести себя не как газ, а как почти идеальная жидкость с экстремально низкой вязкостью, близкой к теоретическому пределу. Чтобы воспроизвести этот феномен в лабораторных условиях, физически сталкивают тяжелые ионы на колоссальных скоростях. Обычно для этого используют огромные ядра свинца, содержащие 208 частиц (нуклонов). Такие столкновения создают крошечные, но достаточно стабильные области первобытной жидкой среды.

Чтобы понять, как учёные исследуют эту микроскопическую каплю первобытной жидкости, представьте простую аналогию. Если выстрелить из пистолета в воздух, пуля пролетит далеко и свободно. Но если выстрелить под водой, пуля мгновенно затормозит из-за сопротивления плотной среды. Именно такое «торможение» физики и ищут внутри коллайдера, чтобы доказать, что среда стала жидкой.

В процессе этих столкновений рождаются высокоэнергетические осколки — те самые кварки и глюоны (учёные называют их партонами). Покидая эту жидкую среду, они не долетают до детекторов в чистом виде, а мгновенно порождают пучки других частиц, формируя узкий направленный поток, который физики называют струёй. Если такой осколок проходит сквозь плотный кварк-глюонный «кисель», он постоянно натыкается на другие частицы и теряет часть своей энергии. В результате струя частиц на выходе оказывается ослабленной. Это явление и называют гашением струй.

Ранее, в ходе столкновений одиночных протонов, учёным удавалось наблюдать коллективное движение рождающихся частиц, но прямой сигнал о потере энергии внутренних осколков (партонов) отсутствовал. Физики полагали, что капля жидкости от удара одиночных протонов получается слишком малой — вылетающие осколки просто не успевают в ней увязнуть. Поэтому в июле прошлого года сотрудники ЦЕРН запустили серию тестов со столкновениями ядер кислорода и неона. Главная цель была проверить, возникнет ли аналогичный эффект торможения осколков в значительно меньших ядерных системах, чем в экспериментах с тяжёлыми и крупными ядрами свинца.

Но как увидеть, что происходит внутри микроскопического всплеска, который длится ничтожные мгновения? Глазами это торможение не заметить. Поэтому физики используют частицы-индикаторы. Они смотрят на «брызги», вылетающие наружу после удара: если этих брызг вылетает подозрительно мало, значит, внутри капли их что-то затормозило и удержало. Роль таких индикаторов в эксперименте сыграли так называемые нейтральные пионы.

Для этого использовался один из главных детекторов БАК — ALICE. Анализируя рождение нейтральных пионов — частиц, отвечающих за передачу сильного взаимодействия в ядрах, — исследователи заметили, что их выход в кислородных столкновениях оказался подавлен примерно в той же степени, что и при столкновениях тяжелого свинца.

В чем связь? Эти пионы рождаются как раз тогда, когда внутренние осколки ядра вылетают наружу. Если осколок застрял в жидком «киселе» и потерял энергию, то и пионов на выходе родится гораздо меньше. То, что датчики зафиксировали нехватку пионов, стало главным намёком: осколки действительно увязли в получившейся среде.

Чтобы убедиться, что это уменьшение частиц связано именно с взаимодействием внутренних осколков (партонов) со средой, а не с другими факторами, учёные сравнили данные с контрольными столкновениями кислорода и протонов, полученными в рамках того же сеанса. Это сравнение подтвердило, что наблюдаемый эффект с высокой долей вероятности является прямым доказательством потери энергии этими осколками.

Может ли Большой адронный коллайдер сломать теорию струн

Эксперимент с кислородом стал рекордным: он продемонстрировал, что признаки коллективного поведения частиц и их взаимодействия с плазмой (то есть свойства сплошной жидкой среды) сохраняются даже в самых миниатюрных из изученных систем. При этом исследователи подчёркивают, что это не абсолютный предел. Нельзя исключать, что ещё меньшие системы, например, при столкновениях одиночных протонов, также могут проявлять подобные свойства, хотя прямой сигнал гашения струй (торможения осколков) там пока не обнаружен.

Почему для учёных так принципиальна разница между газом и жидкостью? Если бы первоматерия вела себя как газ, то частицы внутри неё летали бы сами по себе, независимо друг от друга, как сухой горох. Но жидкое состояние означает, что частицы намертво сцеплены в единый коллектив и мгновенно передают сигналы друг другу. До этого эксперимента наука была уверена, что сварить такую сплошную жидкость в напёрстке кислорода физически невозможно.

Полученный результат имеет фундаментальное значение для физики кварк-глюонной плазмы. Ранее считалось, что при достижении определённой температуры и плотности в малых объёмах кварки и глюоны должны вести себя скорее как разреженный газ. Однако текущие наблюдения указывают на то, что даже при малых размерах система сохраняет свойства почти идеальной жидкости.

Интересен ещё один факт: если система становится настолько мала, что прямое измерение гашения струй (торможения осколков) уже считается ненадёжным, коллективное движение частиц (то есть то, как синхронно разлетаются «брызги» после удара) все ещё может служить косвенным инструментом для изучения свойств среды. Накопление новых данных в будущем позволит учёным проследить постепенный переход от малых систем к крупным, где оба эффекта — и согласованное движение частиц (коллективный поток), и потери энергии — становятся одновременно хорошо заметными.

Простыми словами, даже если «киселя» станет совсем чуть-чуть и осколки перестанут в нем буксовать, ученые все равно смогут изучать его свойства по тому, какие волны и брызги идут по этой первобытной капле.

Таким образом, «кислородные» эксперименты на БАК открывают новое окно в изучение границ существования кварк-глюонной плазмы. Они помогают физикам понять, насколько малой может быть система, сохраняющая свойства этой уникальной жидкой среды, что в свою очередь позволяет с беспрецедентной точностью реконструировать физические условия, царившие на самых ранних этапах эволюции нашей Вселенной (в первые мгновения после Большого взрыва).

Главный итог этой работы поразителен: Вселенная в свои первые микросекунды была не хаотичным облаком разлетающегося газа, а невероятно слаженной, чуткой и почти идеальной жидкой супер-средой, законы которой умудряются работать даже внутри нескольких мимолётных атомов кислорода.

Детали исследования опубликованы на сервере препринтов arXiv.

Ранее мы рассказывали об антиматерии — что это такое, как выглядит, где используется и почему такая дорогая.

Фото ANTONIO SABA