Быстро идущая лодка оставляет за собой след, потому что передаёт воде энергию и импульс. Теперь физикам удалось увидеть отдалённый микроскопический аналог такого явления в одном из самых необычных состояний вещества — кварк-глюонной плазме. Коллаборация CMS на Большом адронном коллайдере обнаружила статистический сигнал диффузионного следа, возникающего при прохождении высокоэнергетической струи через эту сверхгорячую среду. Подобный эффект теоретики предсказывали около двух десятилетий, но экспериментально выделить его из тысяч других частиц до сих пор не удавалось.
Кварк-глюонная плазма, или КГП, переносит физиков почти к самому началу истории Вселенной. В первые микросекунды после Большого взрыва температура была настолько высокой, что протоны и нейтроны ещё не могли существовать в привычном виде. Кварки и глюоны образовывали чрезвычайно горячую среду, свойства которой сегодня можно на кратчайшее время воспроизвести при столкновениях тяжёлых атомных ядер.
Одно из главных открытий в изучении КГП оказалось довольно неожиданным. Можно было предположить, что сверхгорячая смесь элементарных частиц будет вести себя примерно как газ. Эксперименты показали другое: кварк-глюонная плазма демонстрирует выраженное коллективное течение и обладает чрезвычайно малым отношением вязкости к плотности энтропии. Поэтому её часто называют наиболее совершенной жидкостью из известных физике.
Но как исследовать каплю вещества, существующую примерно 10⁻²² секунды и имеющую размеры порядка нескольких диаметров протона? Одним из лучших инструментов стали струи частиц. При высокоэнергетическом столкновении может возникнуть чрезвычайно энергичный кварк или глюон, который устремляется через образовавшуюся плазму.
Свободный кварк, однако, нельзя просто поймать детектором. Из-за особенностей сильного взаимодействия кварки и глюоны в конечном счёте превращаются в поток адронов. Детектор регистрирует множество таких частиц, движущихся примерно в одном направлении. Этот узкий поток и называется струёй, или джетом.
Для физика струя выполняет роль микроскопического зонда. Пока исходный кварк или глюон проходит сквозь плазму, он взаимодействует с ней и теряет часть энергии и импульса. Среда отвечает на это воздействие. По тому, как изменяются струя и окружающее распределение частиц, можно восстанавливать свойства самой кварк-глюонной плазмы.
Именно здесь появляется аналогия с лодкой. Судно передаёт воде импульс, и за кормой возникает характерное возмущение. Высокоэнергетическая частица тоже должна оставлять после себя область изменённого движения среды. Теоретические модели давно предсказывали такой диффузионный след в КГП.
Увидеть его оказалось чрезвычайно сложно. Вода за одной лодкой относительно спокойна, поэтому след хорошо различим. Кварк-глюонная плазма — полная противоположность. Она возникает во время невероятно энергичного столкновения, стремительно расширяется, а наружу вылетают тысячи частиц. На этом фоне крошечный эффект от отдельной струи практически теряется.
Более того, сама плазма формирует крупномасштабные структуры в распределении частиц. Они выглядят как своеобразные гребни, впадины и волны и намного превосходят слабый сигнал искомого следа. Чтобы добраться до него, необходимо сначала математически отделить коллективное движение всей плазмы от локальной реакции на проходящую струю.
На совершенствование таких методов ушли годы. Исследователи анализируют не одно столкновение, а миллионы событий, отбирают подходящие пары струй и ищут статистически повторяющуюся закономерность. То, что невозможно разглядеть в отдельном событии, постепенно проявляется при объединении огромного массива данных.
В эксперименте CMS сталкивались ядра свинца, летящие навстречу друг другу с колоссальной энергией. При столкновении образовывалась крошечная капля кварк-глюонной плазмы. Иногда одновременно возникали два высокоэнергетических потока, первоначально направленных примерно в противоположные стороны, поскольку полный импульс системы должен сохраняться.
Дальше начиналось самое интересное. Обе струи проходили через разное количество плазмы, сталкивались с кварками и глюонами, излучали частицы и теряли энергию. Поэтому к моменту регистрации их конфигурация могла существенно отличаться от простой картины двух идеально противоположных потоков.
Именно такие диджетные события позволили исследователям выделить реакцию среды. После тщательного удаления фоновых эффектов в распределении частиц появился характерный дефицит, соответствующий диффузионному следу. Иными словами, плазма действительно демонстрировала коллективный отклик на движение высокоэнергетической струи.
Результат важен не только потому, что подтверждает старое теоретическое предсказание. Диффузионный след непосредственно связан с тем, как энергия и импульс, потерянные струёй, перераспределяются внутри среды. А это один из ключевых вопросов при попытке понять гидродинамические свойства кварк-глюонной плазмы.
Здесь легко неправильно представить происходящее. Внутри детектора нет крошечной лодки, оставляющей видимую V-образную волну. «След» восстанавливается статистически по распределению большого количества частиц после множества столкновений. Это коллективный отпечаток взаимодействия струи со средой, а не фотография отдельной волны.
Особенно примечательно, что поиск занял около двух десятилетий. После того как эксперименты начала 2000-х показали жидкоподобное поведение КГП, возникло естественное предположение: движущиеся через неё струи должны создавать характерный гидродинамический отклик. Несколько предыдущих попыток найти его не дали достаточно убедительного результата.
Теперь чувствительность эксперимента и методы анализа достигли уровня, на котором слабая структура наконец стала различима. Это хороший пример того, как развивается экспериментальная физика высоких энергий. Теоретическое предсказание может быть сформулировано сравнительно быстро, но для его проверки иногда требуется новое поколение данных и двадцать лет совершенствования способов отделять сигнал от фона.
Кварк-глюонная плазма интересна ещё и потому, что позволяет экспериментально изучать материю в условиях, существовавших почти сразу после рождения Вселенной. Мы не можем наблюдать первые микросекунды напрямую, но способны на мгновение создавать похожее состояние вещества в ускорителе и смотреть, как оно реагирует на контролируемые возмущения.
Наблюдение диффузионного следа добавляет к этой картине ещё одну деталь. Крошечная капля вещества, разогретая до температур, во много раз превышающих температуру центра Солнца, ведёт себя не как хаотическое облако независимых частиц. Она способна коллективно реагировать на пролетающую сквозь неё струю — почти как жидкость, потревоженная движущимся объектом.
Разница лишь в масштабе. След лодки можно увидеть глазами и наблюдать секунды. След кварка существует ничтожную долю мгновения в области меньше атома, а восстановить его удаётся только по статистике миллионов столкновений. И всё же за этими совершенно разными явлениями скрывается общий физический принцип: движущийся объект передаёт импульс среде, а среда отвечает на его движение.
А затем «Добавить на главный экран».
