Новые горизонты в изучении кварк-глюонной плазмы
Струи частиц раскрывают тайны "первичного супа" Вселенной
Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории (США) совершили прорыв в исследовании кварк-глюонной плазмы (КГП) — экзотического состояния материи, которое заполняло Вселенную в первые мгновения после Большого Взрыва. Используя релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC), ученые впервые детально изучили, как высокоэнергетические струи частиц (джеты) взаимодействуют с этим «первичным супом», раскрывая новые свойства плазмы и ставя перед наукой интригующие вопросы.
КГП — это сверхгорячая и сверхплотная среда, в которой кварки и глюоны, обычно «запертые» внутри протонов и нейтронов, существуют в свободном состоянии. В природе такое вещество встречалось лишь в первые микросекунды после Большого Взрыва, но в RHIC его удается воссоздать, сталкивая ядра золота на околосветовых скоростях. Однако КГП существует лишь фемтосекунды (10⁻¹⁵ с), что делает ее изучение чрезвычайно сложным.
Чтобы «увидеть» КГП, физики используют косвенные методы. При столкновениях иногда рождаются джеты — каскады частиц, возникающие при выбивании отдельных кварков или глюонов. Эти джеты, пролетая сквозь плазму, теряют энергию и изменяют свою структуру, что позволяет ученым делать выводы о свойствах КГП.
До недавнего времени исследования фокусировались на «гашении струй» — явлении, при котором их энергия подавляется из-за взаимодействия с плазмой. Однако новый анализ коллаборации STAR, основанный на реконструкции джетов, сопряженных с фотонами, позволил получить гораздо более детальную картину.
Фотоны как ключ к разгадке
Фотоны, в отличие от кварков, почти не взаимодействуют с КГП, поэтому их энергия служит эталоном для сравнения. Ученые разработали метод идентификации «прямых фотонов» — тех, что рождаются непосредственно в момент столкновения, — и смогли точно измерить энергию джетов, летящих в противоположном направлении.
Используя алгоритмы для анализа джетов разного углового размера, исследователи обнаружили, что в столкновениях с образованием КГП энергия струй «размазывается» в стороны, подобно тому, как вода разбрызгивается при ударе о лужу. Это подтвердило, что «потерянная» энергия джетов не исчезает, а перераспределяется в виде возбуждений плазмы.
Новые загадки и перспективы
Хотя эксперимент прояснил механизм потери энергии, он же поставил новые вопросы. Например:
- Как зависит взаимодействие джетов с плазмой от пройденного расстояния?
- Каковы точные параметры вязкости КГП, которая ведет себя почти как идеальная жидкость?
Для ответов потребуется дальнейший анализ и сотрудничество с теоретиками. Уже сейчас ясно, что подобные исследования не только углубляют понимание ранней Вселенной, но и могут пролить свет на экстремальные состояния материи в нейтронных звездах и других астрофизических объектах.
Работа коллаборации STAR — важный шаг к разгадке свойств кварк-глюонной плазмы. Использование джетов и фотонов как инструментов исследования открывает новые возможности для изучения материи в ее самом экстремальном состоянии. Как отметил физик Питер Джейкобс, «это как перевернуть задачу: вместо того чтобы смотреть, что происходит с джетом, мы используем его, чтобы узнать что-то новое о плазме». И похоже, этот метод только начинает раскрывать свои возможности.