MIT і CMS довели: кварк «тягне» плазму за собою – перші прямі свідчення рідинної поведінки QGP

У перші миті після Великого вибуху Всесвіт був розпеченим «супом» з кварків і глюонів. Сьогодні в тунелях CERN на межі світових швидкостей відтворюють той стан матерії – і нарешті бачать те, що шукали роками: рідиноподібні хвилі у кварк-глюонній плазмі, які тягнеться за одиноким кварком, мов слід за човном.

Як усе починалося: від «первинного супу» до теорій

Раніше фізики дійшли висновку, що кварк-глюонна плазма – перша рідина Всесвіту – існувала лише кілька мікросекунд і сягала температур у кілька трильйонів градусів Цельсія. Цю субстанцію описують як майже «досконалу» рідину з надзвичайно малим тертям. На основі численних експериментів та моделей з’явилася ідея: якщо крізь плазму пролітає струмінь кварків, вона має реагувати як суцільний флюїд і «сплескуватися», формуючи хвилю. Таку поведінку прогнозує гібридна модель, яку розробляли теоретики, зокрема Крішна Раджагопал з MIT. Утім, попередні пошуки «слідів» від пар кварк-антикварк у даних колайдерів натикалися на завади – один слід перекривав інший, і картину збурень важко було «прочитати».

Ключова подія: прорив на Великому адронному колайдері

Зараз команда CMS у CERN за участі фізиків з MIT здійснила якісний стрибок: замість парних сигналів дослідники шукали події, де крізь плазму проходить лише одинокий кварк, а з протилежного боку летить Z-бозон. Ця нейтральна частинка майже не взаємодіє з оточенням і має чітко визначену енергію, тож слугує чистою «міткою» напряму. Важкі іони свинцю розганяли до швидкостей, близьких до світової, і зіштовхували у Великому адронному колайдері – у результаті народжувалася крихітна крапля «первинного супу», що жила менше ніж квадрильйонну частку секунди. З-поміж 13 мільярдів зіткнень команда виокремила приблизно 2 000 подій із Z-бозоном і відобразила розподіли енергій у плазмі. У протилежному від Z-бозона напрямі стабільно з’являвся рідиноподібний малюнок «сплесків і вирів» – слід-хвиля від одного кварка.

Дослідники з CMS під керівництвом MIT підкреслюють: зафіксована картина збурень узгоджується з гібридною моделлю, а отже , сповільнюючи кварк і формуючи слід.

Реакція наукової спільноти: очікуване підтвердження й нові запитання

Теоретики, які роками описували флюїдну відповідь плазми на швидкі частинки, назвали результат ключовим підтвердженням. Експерти, зокрема Крішна Раджагопал і незалежні дослідники з європейських університетів, відзначили «чистоту» вимірювання – вперше отримано прямі свідчення рідинної відповіді QGP без накладання сигналів від парних струменів. Учасники експерименту додають, що методика з «міткою» Z-бозона знімає головну неоднозначність і відкриває шлях до точніших вимірювань параметрів збурення.

Що змінилося вже зараз: нові дані та точніша карта плазми

Наслідки прориву видно вже сьогодні – від підтвердження теорій до практичних інструментів аналізу даних із колайдера. Команда CMS довела, що слід-хвиля від одинокого кварка можна виокремити та кількісно описати, а порівняння з моделями дає параметри самої рідини.

• Метод «мітки» Z-бозоном дозволив ізолювати слід одного кварка без «засвічування» з боку антикварка.
• Спостережувані збурення відповідають гібридній моделі, що описує плазму як суцільний флюїд із рідиноподібною реакцією.
• З’явилася можливість вимірювати розмір, швидкість, протяжність і час згасання хвиль, що напряму характеризують властивості QGP.

Що далі: точніші вимірювання й глибше розуміння перших мікросекунд

Попереду – застосування нової техніки до ширших масивів даних та майбутніх серій зіткнень важких іонів у CERN. Дослідники планують деталізувати параметри «сліду» – від швидкості поширення до часу дисипації – аби кількісно описати в’язкість і густину кварк-глюонної плазми. Такі вимірювання допоможуть відтворити картину того, як поводилася матерія у перші мікросекунди історії Всесвіту. Роботу частково підтримало Міністерство енергетики США – і це лише початок нової серії експериментів CMS на Великому адронному колайдері.