Призрачный след в первозданном супе: Большой адронный коллайдер рассмотрел кильватер кварка

Тяжелые столкновения на Большом адронном коллайдере (БАК) выявили слабейший след кильватерной волны, оставленной кварком, прорезающим ядерную материю с температурой в триллионы градусов, — намекая на то, что первичный суп Вселенной мог быть буквально более «супообразным», чем мы думали.

Новые результаты коллаборации Compact Muon Solenoid (CMS) на БАК демонстрируют первые четкие доказательства существования едва уловимого «провала» в рождении частиц позади высокоэнергетического кварка, когда он проходит через кварк-глюонную плазму — каплю первичной материи, которая, как считается, заполняла Вселенную через микросекунды после Большого взрыва.

Исследование, описывающее результаты, опубликованное 25 декабря 2025 года в журнале Physics Letters B, дает захватывающий взгляд на Вселенную в первые мгновения ее существования.

Воссоздание условий ранней Вселенной в лаборатории

Когда тяжелые атомные ядра сталкиваются на околосветовых скоростях внутри БАК, они на мгновение плавятся в экзотическое состояние, известное как кварк-глюонная плазма.

В этой экстремальной среде «плотность и температура настолько высоки, что обычная атомная структура больше не сохраняется», — сообщил Live Science по электронной почте И Чэнь, доцент физики в Университете Вандербильта и член команды CMS. Вместо этого «все ядра перекрываются друг с другом, образуя так называемую кварк-глюонную плазму, где кварки и глюоны могут двигаться за пределы ядер. Они ведут себя больше как жидкость».

Эта капля плазмы необычайно мала — около 10⁻¹⁴ метров в поперечнике, или в 10 000 раз меньше атома — и исчезает почти мгновенно. Однако внутри этой мимолетной капли кварки и глюоны — фундаментальные носители сильного ядерного взаимодействия, удерживающего атомные ядра вместе — текут коллективно таким образом, что это больше напоминает сверхгорячую жидкость, чем простой газ частиц.

Физики хотят понять, как энергичные частицы взаимодействуют с этой странной средой. «В наших исследованиях мы хотим изучить, как различные объекты взаимодействуют с маленькой каплей жидкости, которая создается в столкновениях», — сказал Чэнь. «Например, как высокоэнергетический кварк проходит через эту горячую жидкость?»

Теория предсказывает, что кварк должен оставлять в плазме за собой обнаруживаемый кильватерный след, подобно тому, как лодка, разрезающая воду, оставляет след. «Вода будет толкаться вперед вместе с лодкой в том же направлении, но мы также ожидаем небольшой провал в уровне воды позади лодки, потому что вода отталкивается в стороны», — пояснил Чэнь.

Однако на практике отделить «лодку» от «воды» далеко не просто. Капля плазмы крошечная, а экспериментальное разрешение ограничено. Перед фронтом движения кварка кварк и плазма взаимодействуют интенсивно, что затрудняет определение того, какие сигналы от кого исходят. Но позади кварка кильватерный след — если он существует — должен быть свойством самой плазмы. «Поэтому мы хотим найти этот небольшой провал с тыльной стороны», — сказал Чэнь.

Чистый зонд с помощью Z-бозонов

Чтобы изолировать этот след, команда обратилась к особой частице-партнеру: Z-бозону, одному из переносчиков слабого ядерного взаимодействия (одного из четырех фундаментальных взаимодействий, наряду с электромагнитным, сильным и гравитационным), отвечающего за определенные процессы атомного и субатомного распада. В определенных столкновениях Z-бозон и высокоэнергетический кварк рождаются вместе, разлетаясь в противоположных направлениях.

И здесь Z-бозон становится критически важным. «Z-бозоны отвечают за слабое взаимодействие, и, насколько это касается плазмы, Z просто улетает и исчезает из картины», — объяснил Чэнь. В отличие от кварков и глюонов, Z-бозоны почти не взаимодействуют с плазмой. Они покидают зону столкновения нетронутыми, обеспечивая чистый индикатор исходного направления и энергии кварка.

Такая установка позволяет физикам сосредоточиться на кварке, пробивающемся сквозь плазму, не беспокоясь о том, что его частица-партнер была искажена средой. По сути, Z-бозон служит калиброванным маркером, облегчая поиск тонких изменений в рождении частиц позади кварка.

Команда CMS измерила корреляции между Z-бозонами и адронами — составными частицами, состоящими из кварков — выходящими из столкновения. Анализируя, сколько адронов появляется в «обратном» направлении относительно движения кварка, они смогли обнаружить предсказанный кильватерный след.

Крошечный, но важный сигнал

Результат едва уловим. «В среднем, в обратном направлении мы наблюдаем изменение количества плазмы менее чем на 1%», — сказал Чэнь. «Это очень маленький эффект (и отчасти поэтому потребовалось так много времени, чтобы люди смогли продемонстрировать его экспериментально)».

Тем не менее, это подавление менее чем на 1% — именно тот тип сигнатуры, который ожидается от кварка, передающего энергию и импульс плазме и оставляющего за собой обедненную область. Команда сообщает, что это первый случай, когда такой провал был четко обнаружен в событиях, меченных Z-бозоном.

Форма и глубина провала содержат информацию о свойствах плазмы. Возвращаясь к своей аналогии, Чэнь отметила, что если вода течет легко, провал за лодкой заполняется быстро. Если она ведет себя больше как мед, впадина сохраняется дольше. «Таким образом, изучение того, как выглядит этот провал… дает нам информацию о самой плазме, без усложняющего фактора в виде «лодки»», — сказала она.

Оглядываясь на раннюю Вселенную

Результаты также имеют космологические последствия. Считается, что ранняя Вселенная, вскоре после Большого взрыва, была заполнена кварк-глюонной плазмой, прежде чем остыть, образовав протоны, нейтроны и, в конечном итоге, атомы.

«Эту эпоху невозможно наблюдать напрямую с помощью телескопов, — говорит Чэнь. — Вселенная в то время была непрозрачной». Столкновения тяжелых ионов дают «крошечный проблеск того, как вела себя Вселенная в эту эпоху», — добавила она.

На данный момент наблюдаемый провал — это «только начало», заключила Чэнь. «Захватывающее значение этой работы заключается в том, что она открывает новое русло для получения более глубокого понимания свойств плазмы. С накоплением большего количества данных мы сможем изучать этот эффект более точно и узнавать больше о плазме в ближайшем будущем».

Физики высоких энергий, возможно, самые терпеливые люди на Земле. Они ищут эффекты величиной менее 1% в событиях, которые длятся меньше наносекунды и происходят в условиях, невозможных больше нигде во Вселенной. И когда они находят такой эффект, это становится научной сенсацией.

Этот эксперимент блестяще использует принцип «чистого зонда». Z-бозон здесь выступает в роли идеального свидетеля, который прошел сквозь ад и не замарался. Он говорит ученым: «Кварк, который был со мной в паре, ушел туда. Смотрите, что с ним стало». И они смотрят. И видят пустоту. Ту самую «впадину», которая образуется, когда что-то очень быстрое и очень энергичное проносится сквозь густую среду.

Почему это важно? Потому что кварк-глюонная плазма — это не просто экзотика для горстки теоретиков. Это ключ к пониманию фундаментальных сил природы. Сильное взаимодействие, которое удерживает кварки внутри протонов и нейтронов, в обычных условиях работает как суперклей. Но в плазме этот клей «плавится», и мы можем изучать его свойства в макроскопическом (относительно, конечно) масштабе. Наблюдая за кильватерным следом, мы, по сути, измеряем «вязкость» первозданной Вселенной.

Аналогия с медом и водой здесь очень точна. Если плазма окажется более «медоподобной», это скажет нам о том, как именно взаимодействуют кварки и глюоны на этих запредельных энергиях. Это позволит уточнить модели не только ранней Вселенной, но и, например, поведение нейтронных звезд, где материя также находится в экстремальном состоянии.

И что самое красивое: мы не просто смотрим на прошлое. Мы его воссоздаем. В маленьком объеме внутри детектора CMS, в швейцарской подземке, на долю секунды рождаются условия, которых не было во Вселенной 13,8 миллиарда лет. И эта капля «новорожденного космоса» дает нам ответы на вопросы, которые даже не могли сформулировать древние философы. Наука продолжает свое восхождение к истокам. И каждый новый шаг, даже такой крошечный, как 1% подавления потока частиц, приближает нас к пониманию того, из чего же все-таки мы все сделаны.