Что произошло через несколько микросекунд после Большого взрыва

Комбинируя данные двух ускорителей высоких энергий, физики-ядерщики усовершенствовали измерение замечательных свойств экзотической материи, известной как кварк-глюонная плазма. Результаты выявили новые аспекты сверхгорячей "идеальной жидкости", которые дают ключ к разгадке состоянии молодой Вселенной сразу через несколько микросекунд после Большого взрыва.

Команда ученых из нескольких институтов, известная как JET Collaboration, во главе с исследователями из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Департамента энергетики США опубликовала свои результаты в последнем выпуске Physical Review C. JET Collaboration является одной из наиболее авторитетных коллабораций в теории ядра, учрежденной Отделом управления наукой Департамента энергетики США в 2010 г. Коллаборация в настоящее время включает 12 институтов с Berkeley Lab в качестве ведущего института.

«Мы сделали, безусловно, самое точное извлечение на сегодняшний день ключевого свойства кварк-глюонной плазмы, которое показывает микроскопическое строение этой почти идеальной жидкости», - говорит Синь-Нянь Ван (Xin-Nian Wang), физик из Отдела ядерных исследований при Berkeley Lab и ведущий исследователь JET Collaboration. Идеальные жидкости, как объяснил Ван, имеют самое низкое отношение вязкости к плотности, позволяемое квантовой механикой, которое означает, что они, по существу, текут без трения.

Для создания и изучения кварк-глюонной плазмы, физики-ядерщики использовали ускорители частиц, называемые релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке и Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе в Швейцарии. Ускоряя тяжелые атомные ядра до высоких энергий и сталкивая их друг с другом, ученые могут воссоздать условия высоких температур горячей ранней Вселенной.

Внутри протонов и нейтронов, образующих сталкивающиеся атомные ядра, имеются элементарные частицы, называемые кварками, которые сильно связаны друг с другом другими элементарными частицами, называемыми глюонами. Только в экстремальных условиях, таких как при столкновении, в котором температура в миллионы раз выше, чем в центре Солнца, можно растащить кварки и глюоны и получить сверхгорячую идеальную жидкость, известную как кварк-глюонная плазма.

«Температура настолько высока, что границы между различными ядрами исчезают, и все превращается в горячий плазменный суп из кварков и глюонов», - говорит д-р Ван. Этот сверхгорячий суп содержится в камере в ускорителе частиц, но он короткоживущий – быстро охлаждается и расширяется, что делает его измерение крайне сложным. Экспериментаторы разработали сложные инструменты, чтобы преодолеть проблему, но перевода экспериментальных наблюдений в точное количественное понимание кварк-глюонной плазмы трудно добиться до сих пор, говорит он.

В этой новой работе усовершенствованный командой д-ра Вана датчик использует явление, впервые теоретически изложенное 20 лет назад исследователями Berkeley Lab: потери энергии в виде струй частиц внутри кварк-глюонной плазмы.

«Когда генерируется горячая кварк-глюонная плазма, иногда также могут генерироваться эти очень энергичные частицы с энергией в тысячу раз больше, чем у остальной части материи», - говорит Ван. Такая струя распространяется через плазму, разлетается и теряет энергию на выходе.

Поскольку исследователи знают энергию струи, когда она генерируется, и могут измерить ее энергию на выходе, они могут вычислить потерю энергии, которая предоставляет информацию о плотности плазмы и силе ее взаимодействия со струей. «Это как рентген, проходящие через тело, так что вы можете увидеть то, что внутри», - говорит Ван.

Одной из трудностей в использовании струй в качестве рентгена кварк-глюонной плазмы является факт, что кварк-глюонная плазма – это быстро расширяющийся огненный шар, и он не остается на месте. «Вы можете создать этот горячий огненный шар, который очень быстро расширяется и быстро охлаждается до состояния обычной материи, - говорит Ван. - Поэтому важно разработать модель для точного описания расширения плазмы». Модель должна опираться на релятивистскую гидродинамику, в которой движение жидкости описывается уравнениями из специальной теории относительности Эйнштейна.

За последние несколько лет исследователями из JET Collaboration были разработаны модели, которые могут описать процесс расширения и наблюдаемые явления в сверхгорячей идеальной жидкости. «Это позволяет нам понять, как струя проходит через этот динамический огненный шар», - сказал Ван.

Используя эту модель для расширения кварк-глюонной плазмы и распространения струй, исследователи проанализировали объединенные данные из экспериментов PHENIX и STAR на RHIC и экспериментов ALICE и CMS на LHC, поскольку каждый ускоритель создает кварк-глюонную плазму при различных начальных температурах. Группа определила одно конкретное свойство кварк-глюонной плазмы, называемое коэффициентом переноса струи, который характеризует силу взаимодействия между струей и сверхгорячим веществом. «Определенные значения коэффициента переноса струи могут помочь пролить свет на то, почему сверхгорячая материя является наиболее идеальной жидкостью во Вселенной», - отметил Ван.

Следующие шаги команды заключаются в том, чтобы проанализировать будущие данные при более низких энергиях RHIC и более высоких энергиях LHC, чтобы увидеть, как эти температуры могут повлиять на поведение плазмы, особенно вблизи фазового перехода между обычной и экзотической материей кварк-глюонной плазмой.

Имитация столкновения ионов свинца