Учёные из коллаборации CMS на Большом адронном коллайдере представили первые прямые экспериментальные доказательства того, что кварк-глюонная плазма — сверхгорячее состояние материи, существовавшее в первые мгновения после Большого взрыва, — реагирует на движение частиц как плотная жидкость, формируя характерный «гидродинамический след».
Речь идёт о веществе, которое возникало во Вселенной при температурах в триллионы градусов, когда протоны и нейтроны ещё не успели сформироваться, а кварки и глюоны находились в свободном состоянии. Сегодня такие условия удаётся воссоздать лишь в экспериментах на CERN, в частности на Большом адронном коллайдере, сталкивая тяжёлые ионы свинца на околосветовых скоростях.
В новых измерениях физики использовали особый метод «томографии» плазмы. В редких столкновениях одновременно рождаются кварк и Z-бозон — нейтральная частица, не взаимодействующая с сильной средой. Пока кварк пробивает плазму, теряя энергию, Z-бозон свободно покидает область столкновения и сохраняет информацию о первоначальном импульсе. Это позволяет точно восстановить, сколько энергии передал кварк окружающей среде и как она перераспределилась.
Анализ охватил данные столкновений ионов свинца с энергией 5,02 ТэВ и контрольную выборку протон-протонных событий. Учёные отобрали пары мюонов от распада Z-бозонов и исследовали распределение тысяч сопутствующих заряженных частиц. С помощью специальной методики удалось выделить тонкие корреляции между направлением Z-бозона и «мягкими» адронами с малым импульсом.
В центральных столкновениях, где образуется наиболее плотная плазма, исследователи обнаружили характерный «провал» числа частиц вблизи направления Z-бозона и одновременный избыток на противоположной стороне. Статистическая значимость эффекта превысила уровень 3σ. В периферийных столкновениях такой картины не наблюдалось, что указывает на связь явления с объёмом и плотностью среды.
Этот провал интерпретируется как диффузионный след: проходящий кварк увлекает за собой компоненты плазмы, создавая область пониженной плотности энергии — своеобразную «дыру» в среде.
Сопоставление данных с теоретическими моделями показало, что стандартные расчёты в рамках квантовой хромодинамики, не учитывающие отклик среды, не способны воспроизвести наблюдаемую структуру. Наилучшее согласие дают гибридные модели, сочетающие описание сильных взаимодействий с гидродинамикой, а также транспортные подходы с учётом «отдачи» плазмы.
Ранее существование такого коллективного отклика предсказывали теоретики, отмечавшие, что плазма способна замедлять кварки и вести себя как плотная жидкость.
Новое исследование стало первым случаем, когда такой эффект удалось напрямую выделить на стороне Z-бозона — области, свободной от искажений, связанных с формированием струй. Это позволило отделить собственный отклик среды от сложных процессов фрагментации частиц.
Полученные результаты накладывают жёсткие ограничения на вязкость кварк-глюонной плазмы, коэффициенты переноса энергии и механизмы её повторного нагрева. Они также помогают понять, как микроскопические взаимодействия отдельных кварков превращаются в макроскопическое коллективное движение вещества.
Фактически физики получили экспериментальный «снимок» того, как выглядела материя Вселенной в первые микросекунды после Большого взрыва — не как разрозненный газ частиц, а как плотная, текучая и динамичная среда. Эта работа открывает путь к более точной проверке моделей ранней космологической эволюции и свойств самой экстремальной формы материи, известной современной науке.