Коллайдер впервые зафиксировал след от частиц в первозданной плазме
Спустя более двух десятилетий поисков ученые наконец зафиксировали уникальное явление внутри сверхгорячего и плотного «супа» из частиц, подобного тому, что заполнял космос в первые мгновения после Большого взрыва. Открытие приближает космологов к пониманию состояния Вселенной в момент ее зарождения. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Что пытались найти
«Супом» или кварк-глюонной плазмой называют состояние вещества, в котором фундаментальные компоненты материи — кварки и глюоны (обобщенно именуемые «партонами») — существуют не внутри протонов и нейтронов, а в свободном виде. В современной Вселенной такое разделение невозможно без огромных затрат энергии. Их способен обеспечить самый мощный ускоритель частиц в мире — Большой адронный коллайдер (БАК). Там ядра тяжелых атомов, таких как свинец, сталкиваются на околосветовых скоростях, порождая потоки частиц, называемые джетами, из которых и возникает эта горячая материя.
Когда частицы проходят сквозь кварк-глюонную плазму, они теряют энергию и импульс, передавая их среде. Этот процесс должен оставлять за собой характерный диффузионный след. Его можно сравнить с волнами, расходящимися от корпуса лодки, идущей по воде. Теоретически явление было описано более 20 лет назад, но все попытки зарегистрировать его на практике до сих пор терпели неудачу.
«Наблюдение и измерение диффузионного следа в кварк-глюонной плазме открывает двери для новой, гораздо более точной характеристики свойств и динамики этой материи и обещает дать свежие знания об эволюции ранней Вселенной», — заявил руководитель исследовательской группы Рагхунат Прадхан из Иллинойского университета в Чикаго.
Подтверждение теории
Предыдущие попытки найти заветный сигнал основывались на экспериментах, где джет рождался вместе с частицей, называемой Z-бозоном. Тем не менее, в ходе этих исследований сигнал был едва уловим и легко заглушался другими эффектами, связанными с джетами. Данные не обладали достаточной статистической значимостью, чтобы считать открытие подтвержденным.
Группа под руководством Прадхана и Ольги Евдокимовой из Иллинойского университета в Чикаго избрала иной путь. Ученые использовали БАК для столкновения двух ядер свинца таким образом, чтобы создать два джета частиц, разлетающихся в строго противоположных направлениях. Такая конфигурация называется «диджетным событием». Уникальная симметрия джетов позволила отделить слабый сигнал диффузионного следа от окружающего «шума».
Измерения, проведенные командой, показали отчетливую нехватку частиц позади направления движения джетов. Особенно заметным этот эффект был при относительно низком импульсе частиц. По словам исследователей, именно такая картина в точности соответствует теоретическому предсказанию диффузионного следа. Самые сильные сигналы были зафиксированы в наиболее централизованных столкновениях ядер свинца, которые порождают максимальный объем кварк-глюонной плазмы.