Горячий суп из кварков экспресс
Вода в чайнике нагревается до ста градусов — и перестаёт быть водой, превращаясь в пар. Нечто похожее происходит с ядрами атомов, когда их сталкивают на огромных скоростях в Большом адронном коллайдере. При достаточно высокой температуре протоны и нейтроны, из которых состоят ядра, теряют свою форму и распадаются на свободные кварки и глюоны — частицы, обычно запертые внутри протонов. Это состояние называют кварк-глюонной плазмой, и считается, что именно в нём находилась вся Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва.
В новой работе физики проанализировали данные столкновений протонов и тяжёлых ядер — свинца и ксенона — при разных энергиях. Они измерили, сколько энергии приходится на единицу объёма, и температуру получившегося «супа» из частиц. Затем вычислили отношение энергии к четвёртой степени температуры. Для обычного газа частиц это отношение постоянно, но здесь оно ведёт себя иначе. При температуре около 210 миллионов электронвольт (примерно 2,4 триллиона градусов по Цельсию) отношение начинает резко расти. К 230 миллионам электронвольт оно достигает значения, которое предсказано для идеального газа из кварков и глюонов — как будто частицы перестали замечать друг друга и стали свободными.
Этот резкий рост — сигнал фазового перехода. Вещество, которое при меньших температурах вело себя как густая жидкость, сильно взаимодействующая сама с собой, вдруг становится похожим на почти идеальный газ. Похоже на то, как лёд, нагреваясь, становится водой, а затем паром — но здесь переход происходит за крошечные доли секунды и в масштабах меньше атомного ядра. Учёные впервые так чётко увидели этот переход в данных коллайдера, сравнив разные типы столкновений.
Понимание того, как кварки и глюоны вырываются на свободу, помогает восстановить историю ранней Вселенной. Через несколько микросекунд после Большого взрыва кварк-глюонная плазма остыла и «замёрзла» в протоны и нейтроны — те самые кирпичики, из которых сегодня состоят звёзды, планеты и мы сами. Эксперименты на коллайдере позволяют заглянуть в этот самый первый и самый горячий момент существования материи.
Температура кварк-глюонной плазмы в эксперименте примерно в 100 000 раз выше температуры в центре Солнца, но держится она всего около $10^{-23}$ секунды.