Ученые сообщили о новых ключах к разгадке космической загадки: как кварк-глюонная плазма — идеальная природная жидкость — превратилась в материю.
Через несколько миллионных долей секунды после Большого взрыва ранняя Вселенная приняла странное новое состояние: субатомный суп, называемый кварк-глюонной плазмой.
И всего 15 лет назад международная группа, в которую входили исследователи из группы Релятивистских ядерных столкновений (RNC) в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (лаборатория Беркли), обнаружила, что эта кварк-глюонная плазма представляет собой идеальную жидкость, в которой кварки и глюоны, которые являются строительными блоками протонов и нейтронов, настолько сильно связаны, что текут почти без трения.
Ученые постулировали, что высокоэнергетические струи частиц пролетают через кварк-глюонную плазму — каплю размером с ядро атома — со скоростью, превышающей скорость звука, и что, подобно быстро летящей струе, испускают сверхзвуковой удар, называемый волна Маха. Чтобы изучить свойства этих частиц струи, в 2014 году группа ученых во главе с учеными из лаборатории Беркли впервые применила метод построения атомных рентгеновских изображений, названный струйной томографией. Результаты этих основополагающих исследований показали, что эти струи рассеиваются и теряют энергию при распространении через кварк-глюонную плазму.
Но где же в кварк-глюонной плазме началось путешествие частиц джета? По прогнозам ученых, более слабый сигнал волны Маха, называемый диффузионным следом, подскажет, где искать. Но хотя потерю энергии было легко наблюдать, волна Маха и сопровождающий ее диффузионный след оставались неуловимыми.
Теперь, в исследовании, опубликованном недавно в журнале Physical Review Letters, ученые лаборатории Беркли сообщают о новых результатах моделирования моделей, показывающих, что другой изобретенный ими метод, называемый двухмерной струйной томографией, может помочь исследователям определить местонахождение призрачного сигнала диффузного следа.
Его сигнал настолько слаб, что это похоже на поиск иголки в стоге сена из 10 000 частиц. Использованные симуляции впервые показывают, что можно использовать двумерную струйную томографию, чтобы уловить крошечные сигналы диффузионного следа в кварк-глюонной плазме.
Чтобы найти эту сверхзвуковую иглу в кварк-глюонном стоге сена, команда лаборатории Беркли провела анализ сотен тысяч событий столкновения ядер свинца, смоделированных на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе, и событий столкновения ядер золота на Релятивистском тяжелом ионе в коллайдере (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории. Некоторые компьютерные симуляции для текущего исследования были выполнены на суперкомпьютере Berkeley Lab NERSC.
Сверхзвуковой сигнал частиц реактивной струи имеет уникальную форму, похожую на конус, с диффузным следом, тянущимся за ним, как водная рябь за быстро движущейся лодкой. Ученые искали доказательства существования этого сверхзвукового "следа", потому что он говорит вам о том, что существует истощение частиц. Как только диффузионный след находится в кварк-глюонной плазме, вы можете отличить его сигнал от других частиц на заднем плане. Проделанная работа также поможет экспериментаторам на LHC и RHIC понять, какие сигналы следует искать в их стремлении понять, как кварк-глюонная плазма — идеальная жидкость — превратилась в материю.
Из чего мы сделаны? Как выглядела юная вселенная через несколько микросекунд после Большого взрыва? Ответы на эти вопросы еще предстоит найти, но моделирование долгожданного диффузионного следа приближает нас к ответу на эти вопросы.