Физики врали (не специально): Большой взрыв был жидким, а Вселенная — это суп

Физики получили новые данные о том, как ведут себя частицы, возникающие при столкновениях тяжелых ионов на Большом адронном коллайдере. Речь идет о коллективном потоке частиц, при котором движение определяется не индивидуальными траекториями, а общей динамикой системы.

Измерения показывают, что распределение частиц формируется под действием градиентов давления, возникающих в экстремальных условиях столкновений. Эти условия близки к тем, которые существовали во Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва, когда вещество находилось в состоянии кварк-глюонной плазмы. В этом состоянии кварки и глюоны не связаны в протоны и нейтроны и образуют плотную, сильно взаимодействующую среду.

Именно наблюдения коллективного движения частиц в экспериментах с тяжелыми ионами в свое время стали ключевыми для открытия кварк-глюонной плазмы на релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC, который работает в Брукхейвенской национальной лаборатории. Новые данные получены в эксперименте ATLAS на LHC и развивают это направление исследований. Анализ возглавил физик Цзянъюн Цзя из Университета Стоуни-Брук.

В центре работы - так называемый радиальный поток. В отличие от эллиптического потока, который изучался ранее и напрямую связан с геометрией столкновения ионов, радиальный поток имеет другую физическую природу. Он возникает из-за симметричного расширения среды под действием давления и чувствителен к иным свойствам кварк-глюонной плазмы, в том числе к другим компонентам ее вязкости. Это дает ученым дополнительный инструмент для изучения внутренней динамики этой формы материи.

Результаты ATLAS подтверждаются независимыми измерениями детектора ALICE.

История этих исследований начинается в начале 2000-х годов. Первые эксперименты на коллайдере RHIC показали, что при столкновениях ионов золота частицы разлетаются не во все стороны одинаково. Вместо симметричного «взрыва» возникала выраженная направленность движения, которую физики называют эллиптическим потоком. Проще говоря, больше частиц вылетало в определенных направлениях, чем в других.

Причина оказалась связана с самой геометрией столкновения. Ядра редко сталкиваются строго «лоб в лоб». Чаще они задевают друг друга со смещением, и зона, где они перекрываются, получается не круглой, а вытянутой, как овал. Внутри этой горячей области давление распределяется неравномерно: в одном направлении оно выше, чем в другом. В результате вещество начинает расширяться быстрее вдоль длинной стороны этой области, и именно это создает наблюдаемую картину направленного разлета частиц.

Так стало очевидно, что кварки и глюоны, даже после выхода из состава протонов и нейтронов, продолжают сильно взаимодействовать между собой. Интенсивность эллиптического потока оказалась настолько высокой, что физики пришли к выводу: вещество в этих условиях ведет себя как почти идеальная жидкость с чрезвычайно низкой сдвиговой вязкостью, близкой к теоретическому минимуму.

Новые измерения радиального потока дополняют эту картину. Они показывают, что коллективное движение частиц в кварк-глюонной плазме определяется не только геометрией столкновения, но и более общими свойствами самой среды, связанными с распределением давления и характером ее расширения после столкновения.