Вселенная началась со всплеска: почему кварк-глюонная плазма ведет себя как сверхтекучая жидкость

Коллаборация CMS, работающая на Большом адронном коллайдере (LHC), опубликовала результаты исследования, которое меняет подход к изучению материи ранней Вселенной. Физикам удалось зафиксировать, как кварк-глюонная плазма реагирует на прохождение через нее частиц с высокой энергией. Впервые в истории наблюдений в качестве инструмента калибровки были использованы Z-бозоны. Полученные данные подтверждают теоретические модели, согласно которым сверхплотная материя не просто поглощает энергию, а перераспределяет ее по законам гидродинамики, формируя области сжатия и разрежения.

Изучение фундаментальных свойств материи требует создания экстремальных условий. В экспериментах по столкновению тяжелых ионов (в данном случае — ядер свинца) на кратчайшие мгновения возникают температура и плотность, достаточные для плавления протонов и нейтронов. В результате образуется кварк-глюонная плазма (КГП) — состояние, в котором кварки и глюоны не связаны внутри ядер, а движутся свободно.

Главная проблема исследования этой субстанции заключается в ее нестабильности и микроскопических размерах. Мы не можем поместить в нее датчики. Единственным источником информации служат частицы, вылетающие из зоны столкновения. Однако интерпретация этих данных осложняется тем, что сами частицы-зонды (преимущественно кварки и глюоны) активно взаимодействуют с плазмой, теряя энергию и меняя траекторию. До недавнего времени было сложно разделить два процесса: потерю энергии самой частицей и реакцию среды на это вторжение.

Новая работа коллаборации CMS решает эту проблему, используя механизм, основанный на свойствах электрослабого взаимодействия.

Принцип чистого измерения

В основе эксперимента лежит использование Z-бозона в качестве эталонного маркера. Z-бозон — это элементарная частица, переносчик слабого взаимодействия. Его ключевая особенность в контексте данного исследования — отсутствие цветового заряда. Это означает, что Z-бозон не участвует в сильном ядерном взаимодействии. Для него кварк-глюонная плазма фактически прозрачна: он проходит сквозь нее, не теряя энергии и не отклоняясь от курса.

Исследователи сфокусировались на событиях, где рождение Z-бозона сопровождается выбросом партона (кварка или глюона) в противоположном направлении. Согласно закону сохранения импульса, если мы детектируем Z-бозон с определенной энергией и вектором движения, мы точно знаем, что в обратную сторону вылетел партон с аналогичным поперечным импульсом.

Таким образом, физики получают контролируемую систему:

1. Z-бозон служит неизменным индикатором начальной энергии столкновения.
2. Партон выступает в роли жесткого зонда, который пронизывает среду, теряет энергию и вызывает возмущение в плазме.

Анализируя распределение всех остальных заряженных частиц (адронов) относительно оси движения Z-бозона, можно восстановить картину того, как энергия партона передалась среде и как среда перераспределилась в пространстве.

Анатомия потери энергии

В ходе анализа данных, полученных при столкновениях ионов свинца (PbPb) и протонов (pp), ученые исследовали корреляции между Z-бозоном и заряженными адронами с низким поперечным импульсом. Сравнение этих двух сценариев — свинцового (где плазма есть) и протонного (где плазмы нет) — позволило выявить чистый эффект влияния среды.

Результаты показали сложную структуру перераспределения энергии, которую нельзя объяснить простым поглощением.

На стороне партона (противоположной от Z-бозона): здесь наблюдается явление, известное как «гашение струй». Высокоэнергетичные частицы теряют энергию, но эта энергия не исчезает. Она переходит к множеству «мягких» (низкоэнергетических) частиц. Данные CMS показывают значительный избыток таких частиц в направлении движения партона. Это указывает на то, что партон, проходя через плазму, увлекает за собой ее компоненты, создавая направленный поток вещества.

На стороне Z-бозона: это наиболее важная часть открытия. В экспериментальных данных обнаружен дефицит низкоэнергетических частиц по сравнению с эталонными протонными столкновениями. Графики показывают характерную впадину в распределении частиц.

С точки зрения физики это означает, что прохождение партона через плазму вызывает не только локальный нагрев, но и крупномасштабное движение среды. Партон расталкивает материю перед собой, оставляя позади область пониженной плотности. Этот эффект называется «диффузным следом». Наблюдаемый дефицит частиц на стороне Z-бозона — прямое доказательство того, что плазма переместилась вслед за возмущающим элементом.

Верификация теоретических моделей

Полученные данные важны для теоретической физики, так как позволяют отсеять неверные модели описания кварк-глюонной плазмы. В исследовании результаты сравнивались с тремя основными подходами:

1. Модели чистого рассеяния (например, JEWEL без учета отдачи). Эти теории рассматривают потерю энергии как серию столкновений партона с отдельными центрами рассеяния, не учитывая коллективное поведение среды. Такие модели не смогли предсказать дефицит частиц на стороне Z-бозона и показали значительные расхождения с экспериментом.
2. Гибридные модели. Этот подход объединяет квантовую хромодинамику (для описания жестких процессов) и гидродинамику (для описания поведения самой плазмы). Гибридная модель предполагает, что энергия, потерянная партоном, термализуется и становится частью гидродинамического потока.
3. Транспортные модели (Co-LBT). Здесь решается уравнение Больцмана совместно с уравнениями гидродинамики, учитывая процессы передачи энергии обратно в среду («разогрев»).

Экспериментальные данные CMS продемонстрировали наилучшее согласование именно с гибридными и транспортными моделями, которые учитывают коллективный отклик среды. В частности, только модели, включающие механизм формирования следа, смогли воспроизвести U-образную форму распределения частиц в центральной области.

Это подтверждает гипотезу о том, что кварк-глюонная плазма ведет себя как жидкость с очень низкой вязкостью, способная поддерживать коллективные потоки вещества. Энергия высокоимпульсного зонда полностью диссипирует (рассеивается) в среде, вызывая ее механическое движение, а не просто локальный нагрев.

Техническая сложность и точность

Достижение этого результата потребовало исключительной точности измерений. Z-бозоны — редкие гости в продуктах распада. Для набора достаточной статистики физикам пришлось проанализировать огромный массив данных, собранных детектором CMS в 2018 году (интегральная светимость 1.67 обратных нанобарн).

Детектор CMS (Compact Muon Solenoid) идеально подходит для таких задач благодаря своей многослойной структуре. Кремниевый трекер позволяет с высокой точностью восстанавливать траектории заряженных частиц, а мюонные камеры (расположенные на внешнем контуре) безошибочно идентифицируют мюоны, на которые распадается Z-бозон. Именно канал распада Z-бозона на два мюона обеспечил чистоту сигнала, практически лишенного фонового шума.

Анализ проводился в несколько этапов, включая коррекцию на эффективность детектора и вычитание фонового сигнала от множественных взаимодействий, не связанных с интересующим событием. Статистическая значимость расхождения между данными в свинцовых и протонных столкновениях превысила три стандартных отклонения, что в физике частиц считается надежным свидетельством наличия эффекта.

Фундаментальное значение работы

Публикация CMS знаменует переход от качественного описания кварк-глюонной плазмы к точному количественному анализу ее динамических свойств. Использование Z-бозонов в качестве калиброванных зондов открывает новую главу в физике высоких энергий — эру прецизионной томографии ядерной материи.

Мы получили прямое экспериментальное подтверждение того, что уравнения гидродинамики применимы к материи на субатомном уровне. Взаимодействие кварков и глюонов в экстремальных условиях порождает коллективные эффекты: потоки, волны и области разрежения. Это понимание необходимо не только для ядерной физики, но и для космологии, поскольку оно уточняет наши представления о состоянии Вселенной в первые микросекунды ее существования.

Теперь ученым предстоит выяснить, как именно происходит процесс термализации — превращения кинетической энергии единичной частицы в тепловую энергию огромного ансамбля кварков и глюонов. Ответ на этот вопрос станет следующим шагом в понимании природы сильного взаимодействия.

Источник: Physics Letters B