Исследователи, работающие в рамках коллаборации CMS Collaboration, предоставили первые непосредственные экспериментальные подтверждения того, что кварк-глюонная плазма — состояние материи, характеризующееся экстремально высокой температурой и существовавшее в начальный период после Большого взрыва, — ведёт себя как плотная жидкость при воздействии на неё движущихся частиц, создавая отличительный «гидродинамический след».

Изучаемое вещество образовалось в ранней Вселенной при температурах, достигавших триллионов градусов. В то время протоны и нейтроны ещё не существовали, а кварки и глюоны пребывали в свободном состоянии. Воссоздать подобные условия сегодня возможно только в экспериментах, проводимых на ЦЕРН, например, на Большом адронном коллайдере, где сталкивают тяжёлые ионы свинца, разогнав их почти до скорости света.

Для изучения новых физических явлений применили специальный метод «томографии» плазмы. При нечастых столкновениях одновременно возникают кварк и Z-бозон — нейтральная частица, не взаимодействующая посредством сильного взаимодействия. В то время как кварк проходит через плазму, рассеивая свою энергию, Z-бозон без препятствий покидает зону столкновения, сохраняя сведения о начальном импульсе. Это даёт возможность с высокой точностью определить, какую энергию кварк отдал окружающей среде и как эта энергия была распределена.

В ходе исследования были проанализированы данные о взаимодействиях ионов свинца с энергией 5,02 ТэВ и сравнены с контрольной группой протон-протонных событий. Специалисты выбрали пары мюонов, образованных в распаде Z-бозонов, и изучили распределение тысяч сопутствующих заряженных частиц. Применение разработанного метода позволило выявить незначительные, но существенные связи между направлением движения Z-бозона и «мягкими» адронами, обладающими малым импульсом.

В зонах наиболее интенсивных столкновений, где формируется самая плотная плазма, ученые зафиксировали заметное снижение концентрации частиц вблизи направления, соответствующего Z-бозону, и одновременно – увеличение на противоположной стороне. Уровень статистической достоверности этого эффекта превысил отметку в 3σ. Подобной структуры не было выявлено в столкновениях, происходящих на периферии, что позволяет предположить зависимость этого явления от размера и плотности среды.

Неудача рассматривается как результат диффузии: при движении кварк за собой тянет компоненты плазмы, формируя область с уменьшенной плотностью энергии, что можно охарактеризовать как «выборочное понижение» в среде.

Сравнение полученных данных с теоретическими моделями выявило, что обычные вычисления, основанные на квантовой хромодинамике и не принимающие во внимание реакцию окружающей среды, не позволяют воссоздать наблюдаемую структуру. Оптимальное соответствие демонстрируют комбинированные модели, объединяющие описание сильных взаимодействий с гидродинамическими эффектами, а также методы, учитывающие перенос энергии в плазме.

Теоретики ранее прогнозировали наличие подобного группового отклика, указывая на то, что плазма может замедлять кварки и проявлять свойства плотной жидкости.

Новое исследование впервые предоставило возможность непосредственно наблюдать данный эффект в Z-бозоне — области, не подверженной искажениям, возникающим при образовании струй. Это дало возможность различить реакцию среды и сложные процессы распада частиц.

Результаты исследования существенно ограничивают возможные значения вязкости кварк-глюонной плазмы, коэффициенты переноса энергии и способы её повторного нагрева. Кроме того, они позволяют лучше понять, как микроскопические взаимодействия отдельных кварков приводят к макроскопическому коллективному движению вещества.

На практике физики впервые получили экспериментальное представление о том, каким был состав Вселенной в первые микросекунды после Большого взрыва. Он не представлял собой рассеянный газ из отдельных частиц, а был плотной, текучей и активной средой. Это исследование позволит более точно проверять теории о развитии ранней Вселенной и свойствах наиболее экстремальной формы материи, которую изучает современная наука.