Ученые воссоздали первые микросекунды Вселенной в Большом адронном коллайдере и обнаружили, что она была жидкой

Физикам из Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) и Массачусетского технологического института (MIT) впервые в истории удалось получить прямые экспериментальные доказательства существования кварк-глюонной плазмы. Проведя серию экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК), ученые воссоздали условия, аналогичные тем, что царили во Вселенной в первые мгновения ее существования. Вопреки ожиданиям обнаружить газоподобную структуру, зафиксированное вещество продемонстрировало свойства, характерные для плотной жидкости. Данное открытие, подробно описанное в журнале Physics Letters B, заставляет пересмотреть существующие модели поведения материи при экстремально высоких энергиях и температурах.

Кварк-глюонная плазма (КГП) образуется в БАК при столкновении ядер свинца, разогнанных до скоростей, близких к световой. Важно отметить, что КГП существует менее квадриллионной доли секунды, воспроизводя условия, господствовавшие во Вселенной примерно через микросекунды после её рождения, а ее температура достигает нескольких триллионов градусов, при этом кварки и глюоны существуют в несвязанном состоянии.

Принципиальная сложность наблюдения состояла в том, что прежние эксперименты отслеживали пары кварк-антикварк, чьи следы накладывались друг на друга, не позволяя выделить эффект одной частицы. Вместо традиционного изучения парных частиц, научная группа профессора MIT Ен-Дже Ли сосредоточилась на редких событиях: совместном рождении кварка и Z-бозона. Главная ценность этой нейтральной частицы в том, что она «игнорирует» окружающую кварк-глюонную плазму и пролетает сквозь нее без потерь. Это создает идеальный контраст для наблюдений: пока Z-бозон служит неподвижным эталоном, его напарник-кварк вязнет в плотной среде, порождая мощное возмущение — так называемый кильватерный след, подобно катеру на поверхности воды.

Чтобы отделить нужное событие от шума, исследователи применили строгий фильтр: из 13 миллиардов зафиксированных ионных столкновений были отобраны только те 2000 случаев, где рождался Z-бозон. В каждом из этих событий приборы засекли энергетические возмущения с обратной стороны от траектории частицы. Характер этих всплесков однозначно указывал на гидродинамический отклик среды, то есть она вела себя как текучее вещество. Таким образом, эксперимент подтвердил прогнозы гибридной модели Раджагопала, которая теоретически описывала подобное поведение плазмы ещё до получения реальных данных.

«Ранее среди физиков не было единого мнения, сможет ли кварк-глюонная плазма отреагировать на прохождение всего одной элементарной частицы — кварка, — пояснил Йен-Дже Ли. — Проведенные эксперименты со всей очевидностью демонстрируют: эта субстанция обладает колоссальной плотностью. Взаимодействие с плазмой настолько сильно, что она не только гасит скорость кварка, но и порождает в своей толще характерные турбулентные возмущения, подобно тому, как вязкая жидкость завихряется вокруг погруженного в нее объекта».

Данный результат закрывает многолетнюю дискуссию о фундаментальном свойстве КГП и открывает возможность детального изучения её параметров — вязкости и динамики — в условиях, воспроизводящих ранние мгновения существования Вселенной. По словам профессора Кришны Раджагопала из MIT, не принимавшего непосредственного участия в исследовании, полученные данные представляют собой «первое чистое, однозначное свидетельство» данного явления.

Источник: livescience.com