Когда тяжелые атомные ядра сталкиваются на околосветовых скоростях внутри коллайдера, они на краткий миг превращаются в экзотическое состояние материи — кварк-глюонную плазму. Считается, что именно такая плазма заполняла Вселенную через несколько микросекунд после Большого взрыва.
«Плотность и температура такой плазмы настолько высоки, что обычная структура атомов больше не сохраняется, — объясняет соавтор исследования, доцент физики в Университете Вандербильта И Чэнь. — Все ядра перекрываются, образуя кварк-глюонную плазму, где кварки и глюоны могут двигаться за пределами ядер. Они ведут себя скорее как жидкость».
Капелька этой плазмы невообразимо мала — примерно в десять тысяч раз меньше атома — и исчезает почти мгновенно. Но даже за это время кварки и глюоны успевают течь коллективно, подобно сверхгорячей жидкости.
Физики давно хотели понять, как энергичные частицы взаимодействуют с этой странной средой. Согласно теоретических расчетов, кварк, пролетающий через плазму, должен оставлять за собой след — как лодка, рассекающая воду. «Вода выталкивается вперед вместе с лодкой, но позади на поверхности остается углубление», — поясняет Чэнь.
Чтобы обнаружить это «углубление» в плазме, команда использовала особый прием. При некоторых столкновениях одновременно с кварком рождается Z-бозон — частица, переносящая слабое взаимодействие. В отличие от кварков, Z-бозоны практически не взаимодействуют с плазмой и покидают зону столкновения невредимыми, служа точным указателем направления и энергии кварка.
Результат оказался едва уловимым: в среднем позади кварка количество плазмы уменьшается менее чем на один процент. «Это очень маленький эффект, отчасти поэтому потребовалось так много времени, чтобы продемонстрировать его экспериментально», — говорит Чэнь.
Форма и глубина этого углубления несут информацию о свойствах самой плазмы. Если плазма жидкая и течет легко, углубление быстро заполняется. Если она вязкая, как мед, углубление сохраняется дольше.
Ранняя Вселенная была непрозрачной, и телескопы не могут ее увидеть напрямую. Столкновения тяжелых ионов дают «крошечный взгляд на то, как Вселенная вела себя в ту эпоху», отмечает Чэнь. По словам авторов работы, их открытие — лишь начало: с накоплением данных ученые смогут изучить эффект точнее и узнать больше о первичной материи мироздания.
Ранее физики обнаружили скрытый порядок в столкновениях протонов.
