Учёные только что наблюдали это. Если быть точнее, они зафиксировали отсутствие чего-либо, что служит доказательством существования явления с первых секунд после Большого взрыва.
На это ушло два десятилетия столкновений ядер свинца на скоростях, близких к световой. Но Большой адронный коллайдер (БАК) наконец создал «диффузионный след» внутри кварк-глюонной плазмы, который физики предсказали более 20 лет назад. Это крошечная рябь в космическом супе. След, остающийся за частицами, мчащимися сквозь самое раннее состояние Вселенной.
Почему мы раньше не видели диффузионный след
Вот в чем проблема физики высоких энергий: сигнал слабый, а шум оглушающий.
Двадцать лет назад команды исследователей искали эти следы, используя Z-бозоны. Они сталкивали атомы, искали струи частиц рядом с Z-бозонами и надеялись увидеть хоть намёк на возмущение в плазме. Признаки были, но весьма отдалённые. Их затирали другие эффекты, связанные со струями, маскируя тонкие волновые сигналы. Данные не были достаточно чистыми. Нельзя объявить открытие открытием, если статистически невозможно отделить его от фонового шума.
На какое-то время это казалось невозможным.
Исследователи из Чикагского университета Иллинойса (UIC) изменили стратегию. Они перестали гнаться за Z-бозонами для этого конкретного теста. Вместо этого они использовали БАК для создания событий с «ди-струями» (dijets). Две струи. Направленные в противоположные стороны. Как двойные пули, выпущенные в разные стороны из центра столкновения.
Эта конфигурация имеет решающее значение. Симметрия позволяет учёным отсеять шум.
Что такое кварк-глюонная плазма?
Вы не найдёте одиночный кварк или глюон на своей кухне. Или на Луне. Во Вселенной сегодня они заперты внутри протонов и нейтронов, прочно связываясь в частицы большего размера, называемые адронами.
Чтобы освободить их, нужна невообразимо высокая энергия.
БАК сталкивает ядра свинца друг с другом. Столкновение нагревает вещество до триллионов градусов. Оно расплавляет протоны. В результате получается кварк-глюонная плазма. Это тот самый «суп», из которого состояла ранняя Вселенная спустя микросекунды после Большого взрыва. Горячий. Плотный. Свойствами жидкости.
Когда частицы движутся через эту жидкость, они не просто пролетают мимо. Они взаимодействуют. Они теряют импульс. Они раздвигают плазму, подобно лодке, разрезающей океан. Физика предсказывает наличие следа. Диффузионного следа.
Знак, доказавший реальность явления
Новое измерение простое, но изящное. Группа исследователей изучила область позади направления движения струй.
Пустое пространство. Или почти пустое.
Они обнаружили явный дефицит частиц в зоне следа, особенно при низких импульсах. Этот недостаток частиц является характеристикой следа. Он идеально совпадает с теорией.
«Это наблюдение — кульминация десятилетие-long quests», — говорит Ольга ЕВДОКИМОВА, руководитель группы в UIC.
На самом деле, как она отмечает, прошло уже более двадцати лет. Явление было предсказано два десятилетия назад. Оно оставалось неуловимым, пока новый подход не сделал сигнал громче фонового хаоса.
Эффект был наиболее выражен в центральных столкновениях свинца со свинцом. Эти столкновения создают самые плотные капли кварк-глюонной плазмы на Земле. Больше плазмы означает большее трение для струй. Больше трение — больше и заметнее след.
Почему это важно для космологии
Рагхунатх Прадан, другой руководитель из UIC, назвал этот результат «открывающим дверь». Точная характеристика. Вот что мы можем делать теперь.
Понимание того, как частицы теряют энергию в этой плазме, помогает нам моделировать раннюю Вселенную. Мы можем симулировать плотность и поток космоса сразу после его рождения с большей точностью. Это превращает теоретические догадки в измеримую динамику.
Мы картографируем трение Большого взрыва.
И это не было простым поиском данных. Это потребовало отбросить старый метод и сделать ставку на геометрию ди-струй. Риск, который окупился.
И куда двигаться дальше? Скорее всего, к другим столкновениям. К другим типам партонов. БАК продолжает вращаться. Плазма продолжает кипеть.
Мы наконец получили чёткий взгляд на рябь. Теперь нам предстоит понять сам океан.
