Коллайдер впервые зафиксировал след частиц в первичной плазме

После более чем двух десятилетий поисков ученые наконец зафиксировали уникальное явление внутри сверхгорячего и плотного «супа» из частиц, похожее на тот, который заполнял космос в первые мгновения после Большого взрыва. Это открытие приближает космологов к пониманию состояния Вселенной во время ее рождения. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

"Суп" или кварк-глюонная плазма — это состояние материи, в котором фундаментальные компоненты материи — кварки и глюоны (совместно называемые «партонами») — существуют не внутри протонов и нейтронов, а в свободной форме. В современной Вселенной такое разделение невозможно без огромных затрат энергии. Их может обеспечить самый мощный в мире ускоритель частиц — Большой адронный коллайдер (БАК). Там ядра тяжелых атомов, таких как свинец, сталкиваются со скоростью, близкой к скорости света, создавая потоки частиц, называемые струями, из которых выходит это горячее вещество.

Когда частицы проходят через кварк-глюонную плазму, они теряют энергию и импульс, передавая их среде. Этот процесс должен оставить после себя характерный диффузионный след. Его можно сравнить с волнами, исходящими от корпуса лодки, движущейся по воде. Теоретически явление было описано более 20 лет назад, но все попытки зарегистрировать его на практике пока не увенчались успехом.

«Наблюдение и измерение диффузионной сигнатуры в кварк-глюонной плазме открывает дверь для новой, гораздо более точной характеристики свойств и динамики этой материи и обещает дать новое понимание эволюции ранней Вселенной», — сказал руководитель исследовательской группы Рагхунатх Прадхан из Университета Иллинойса в Чикаго.

Подтверждение теории

Предыдущие попытки найти заветный сигнал основывались на экспериментах, в которых струя рождалась вместе с частицей, называемой Z-бозоном. Однако в этих исследованиях сигнал был тонким и легко подавлялся другими эффектами, связанными с струей. Данные не имели достаточной статистической значимости, чтобы считать вывод подтвержденным.

Команда под руководством Прадхана и Ольги Евдокимовой из Университета Иллинойса в Чикаго выбрала другой путь. Ученые использовали БАК для столкновения двух ядер свинца таким образом, чтобы образовались две струи частиц, летящих в совершенно противоположных направлениях. Эта конфигурация называется «цифровым событием». Уникальная симметрия струй позволила отделить слабый сигнал диффузионного следа от окружающего «шума».

Измерения команды показали явное отсутствие частиц за направлением струй. Этот эффект был особенно заметен при относительно малых импульсах частиц. По мнению исследователей, эта закономерность в точности соответствует теоретическому предсказанию диффузионного следа. Самые сильные сигналы были обнаружены в наиболее централизованных столкновениях ядер свинца, которые генерируют наибольший объем кварк-глюонной плазмы.