Физики Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Университета Уэйна обнаружили, что свет может создавать идеальную жидкость, существовавшую в первые доли секунды после Большого взрыва. Об этом сообщается в пресс-релизе на Phys.org.
Коллаборация ATLAS проанализировала результаты экспериментов, проведенных на Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider, LHC) в ЦЕРН, в ходе которых фотоны сталкивались с ионами свинца. В результате возникали мельчайшие капли кварк-глюонной плазмы.
Кварк-глюонная плазма представляет собой особое состояние вещества, ведущее себя как идеальная жидкость и состоящее из свободных кварков и глюонов. В этой плазме отсутствует конфайнмент — явление, препятствующее получению свободных кварков, из которых состоят протоны и нейтроны (барионы) и мезоны (кварк-антикварк). В обычном веществе кварки прочно «склеены» глюонными струнами, и попытка их разъединить приводит к удлинению струн из-за появления множества новых глюонов между кварками. Даже если разорвать струну, добавляя в систему больше энергии, на концах разрыва просто появляются новые кварки, сохраняя конфайнмент.
Кварки характеризуются цветовыми зарядами: красным, зеленым и синим. Считается, что у обычного вещества цветовой заряд бесцветен, потому что связанные глюонами кварки компенсируют друг друга. По аналогии с обычной плазмой, в которой существуют свободные электрические заряды (положительно и отрицательно заряженные ионы), в кварк-глюонной плазме существуют свободные цветовые заряды. Цветовой заряд выходит на свободу только при очень больших энергиях, которых можно добиться в двух местах на Земле: LHC и Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США.
Чтобы получить кварк-глюонную плазму, ученые проводят столкновения встречных пучков ионов свинца. На доли секунды происходит образование капель кварк-глюонной плазмы, которая быстро остывала с возвращением конфайнмента. В результате возникают новые частицы, выявляемые детектором ATLAS. Важным признаком присутствия плазмы является характерный эллиптический узор в распределении рожденных частиц, и ранее считалось, что этот узор возникает только при столкновении тяжелых ионов.
В новой работе ученые обратили внимание на другое явление, происходящее во время столкновения пучков. При разгоне ионов свинца с положительным зарядом внутри LHC вокруг них генерируются электромагнитные поля и создается облако фотонов. При столкновении встречных пучков частиц множество ионов свинца промахиваются мимо друг друга, однако при этом задевают облака фотонов. Оказалось, что частицы рождающиеся при столкновении фотона с ионами, также образуют эллиптический узор.
Ранее считалось, что фотоны не могут иметь достаточно энергии, чтобы разбить протоны и нейтроны ядер свинца и образовать кварк-глюонную плазму. Однако ученые показали, что с ядрами свинца на самом деле взаимодействовали не фотоны, а другой тип частиц — ро-мезон. Это происходит потому, что в результате квантовых флуктуаций два фотона могут взаимодействовать, образуя на короткое время кварк и антикварк, удерживаемые сильным ядерным взаимодействием. Эта пара частиц и является ро-мезоном.
Теоретики адаптировали существующие гидродинамические расчеты для описания этих столкновений и пришли к выводу, что фотоны и ионы даже при столкновениях с меньшей энергией могут приводить к образованию «сильно взаимодействующей жидкости». Результирующая картина в модели совпала с той, что наблюдалась в экспериментальных данных, хотя для окончательного подтверждения этого необходимо провести дополнительные исследования.
Будущие исследования на LHC и RHIC помогут ученым разобраться, формируют ли эти столкновения кварк-глюонную плазму или есть альтернативное объяснение.