Няколко микросекунди след Големия взрив

Комбинирайки данните от всички ускорители с висока енергия, физиците са усъвършенствали измерването на забележителните свойства на екзотичната материя, известна като кварк-глуонна плазма.

Резултатите показали нови аспекти на свръхгорещата „идеална течност“, които дават ключ към разгадаването на състоянието на младата Вселена няколко микросекунди след Големия взрив.

Екип учени от няколко института, известни като JET Collaboration, начело с изследователите от Националната лаборатория „Лорънс“ в Бъркли (Berkeley Lab) са публикували своите резултати в изданието Physical Review C.

JET Collaboration се явява една от най-авторитетните колаборации в теорията на ядрото, създадена от Отдела за управление на науката към енергийното министерство на САЩ през 2010 г. Колаборацията днес включва 12 института с Berkeley Lab в качеството на водещ институт.

„Направихме безспорно най-точното до днес извличане на свойствата на кварк-глуонната плазма, което показва микроскопичния строеж на тази почти идеална течност“, казва Син-Нян Ван, физик от Отдела за ядрени изследвания при Berkeley Lab и водещ изследовател на JET Collaboration.

Идеалните течности, както обяснява Ван, имат най-ниското съотношение на вискозитет към плътност, позволявано от квантовата механика, което означава, че те по същество текат без триене.

За създаването и изучаването на кварк-глуонната плазма физиците използвали Релативисткия колайдер на тежки йони (RHIC) в Брукхейвънската национална лаборатория в Ню Йорк и Големия адронен колайдер (LHC) на ЦЕРН в Швейцария. Ускорявайки тежки атомни ядра до високи енергии и сблъсквайки ги едни с други, учените могат да пресъздадат условията на високи температури на горещата ранна Вселена.

В протоните и неутроните, образуващи сблъскващите се атомни ядра, има елементарни частици, наричани кварки, които силно са свързани с други елементарни частици, наричани глуони. Само в екстремни условия, такива като при сблъсък, при който температурата е милиарди пъти по-висока, отколкото в центъра на Слънцето, може да се разпаднат кварките и глуоните и да се получи свръхгорещата идеална течност, известна като кварк-глуонна плазма.

„Температурата е толкова висока, че границите между различните ядра изчезват и всичко се превръща в гореща плазмена супа от кварки и глуони“, казва д-р Ван. Тази свръхгореща супа се съдържа в камера в ускорителя на частици, но тя живее кратко – бързо се разширява и охлажда, което прави нейното измерване изключително сложно.

Експериментаторите разработили сложни инструменти, за да преодолеят проблема, но преводът на експерименталните наблюдения в точно количествено разбиране на кварк-глуонната плазма трудно се постигало досега, казва той.

В това ново изследване усъвършенстваният от екипа на д-р Ван датчик използва явление, за първи път изложено теоретично преди 20 години от изследователите на Berkeley Lab: загубата на енергия във вид на струя частици в кварк-глуонната плазма.

„Когато се генерира горещата кварк-глуонна плазма, понякога дори може да се генерират тези много енергийни частици с енергия, хиляди пъти по-голяма, отколкото на останалата част на материята“, казва Ван. Такава струя се разпространява през плазмата, разпръсва се и губи енергия на изхода.

Тъй като изследователите знаят енергията на струята, когото тя се генерира, и могат да измерят нейната енергия на изхода, те могат да изчислят загубата на енергия, която предоставя информация за плътността на плазмата и силата на нейното взаимодействие със струята. „Това е като рентген, преминаващ през тялото, така че можете да видите това, което е вътре“, уточнява ученият.

Една от трудностите в използването на струята в качеството на рентген на кварк-глуонната плазма е фактът, че кварк-глуонната плазма е бързо разширяваща се огнена топка и не стои на място.

„Вие можете да създадете тази гореща огнена топка, която много бързо се разширява и бързо се охлажда до състояние на обикновена материя – казва Ван. – Затова е важно да разработите модел за точно описание на разширението на плазмата.“

Моделът трябва да се опира на релативистката хидродинамика, в която движението на течностите се описва от уравнения от специалната теория на относителността на Айнщайн.

За последните няколко години изследователите от JET Collaboration са разработили модели, които могат да опишат процеса на разширение и наблюдаваните явления в свръхгорещата идеална течност. „Това ни позволява да разберем как струята преминава през тази динамична огнена топка“, продължава Ван.

Използвайки този модел за разширение на кварк-глуонната плазма и разпространението на струята, изследователите анализирали обединените данни от експеримента PHENIX и STAR на RHIC и експериментите ALICE и CMS на LHC, тъй като всеки ускорител създава кварк-глуонна плазма при различни начални температури.

Групата определила едно конкретно свойство на кварк-глуонната плазма, наречено коефициент на пренос на струята, който характеризира силата на взаимодействие между струята и свръхгорещото вещество.

„Определението на стойността на коефициента на пренос на струята може да помогне да се хвърли светлина на това, защо свръхгорещата материя се явява най-идеалната течност във Вселената“, отбелязва Ван.

Следващите крачки на екипа се заключават в това да се анализират бъдещите данни при най-ниски енергии на RHIC и по-високи енергии на LHC, за да се види как тези температури могат да повлияят на поведението на плазмата, особено близо до фазовия преход между обичайната и екзотичната материя на кварк-глуонната плазма.