В 2010-х физики, работающие на Большом адронном коллайдере, научились создавать в лаборатории вещество, которое в обычном мире не встречается. При столкновении двух ядер свинца, разогнанных почти до скорости света, на миг возникает кварк-глюонная плазма — «суп» из самых мелких известных частиц материи, который заполнял Вселенную в первую микросекунду после Большого взрыва. Этот суп невероятно горяч — в сотни тысяч раз горячее центра Солнца.
Когда в таком супе рождается струя частиц (узкий поток, летящий с огромной энергией), она ведёт себя как моторная лодка на воде. Лодка расталкивает воду в стороны, оставляя за собой расходящиеся волны и зону вспененной, взбаламученной воды. Точно так же струя, пробиваясь сквозь плазму, толкает вещество в стороны и вперёд, а позади неё образуется область, где частиц становится меньше, чем было до прохода струи. Эту зону физики называют диффузионным следом.
Долгое время такой след искали в данных, но сигнал был слабым и тонул в шуме. Теперь команда CMS на Большом адронном коллайдере собрала данные о тысячах столкновений ядер свинца и сравнила их со столкновениями протонов, где плазмы нет. Оказалось, что позади струи в плазме действительно образуется заметный провал в числе частиц — статистическая значимость превысила пять стандартных отклонений. Это тот порог, после которого физики говорят об открытии, а не о случайной флуктуации.
Новое измерение важно не только как подтверждение красивой картины. Оно даёт возможность «прощупать» свойства кварк-глюонной плазмы: насколько она вязкая, как быстро передаёт энергию, как реагирует на проходящую сквозь неё частицу. Сравнение с теоретическими моделями показало, что без учёта диффузионного следа описать данные невозможно. Значит, плазма ведёт себя не как разреженный газ, а как жидкость с очень малой вязкостью — почти идеальная жидкость, подобная той, что могла существовать в ранней Вселенной.
Теперь, когда след надёжно обнаружен, физики смогут использовать его как инструмент: менять энергию струи, смотреть, как меняется след, и по нему восстанавливать детальную картину того, что происходило в первые мгновения после Большого взрыва. Лодка оставляет за собой не просто волны — она оставляет карту глубин.
как её написали авторы, на английском arXiv:2602.19431
Energetic quarks and gluons traversing a hot and dense quark-gluon plasma deposit energy and momentum into the medium before hadronizing to collimated sprays of particles, known as jets. This energy-momentum deposition is expected to produce medium responses, collectively known as jet wakes, with ``diffusion wake'' denoting a depletion of particles in the direction opposite to the propagating jet. These phenomena are studied by comparing dijet-hadron correlations measured in lead-lead (PbPb) and proton-proton (pp) collisions to assess jet-induced modifications of bulk particle production. The analysis uses PbPb and pp data recorded at a nucleon-nucleon center-of-mass energy $$\sqrt{s_\mathrm{NN}}$$ = 5.02 TeV with the CMS detector at the CERN LHC. By exploring how the dijet-hadron correlation distributions differ for various pseudorapidity separations of the two jets in the dijet, the presence of a jet diffusion wake is firmly established. The wake has a significance greater than 5 standard deviations for charged particles in the transverse momentum range 1 $$\lt$$ $$p_\mathrm{T}$$ $$\lt$$ 2 GeV. The measurements are compared with various model predictions with and without jet wake effects, providing new insights into quark-gluon plasma properties and the formation of jet-induced wakes.
Кварк-глюонная плазма — самая горячая жидкость, когда-либо созданная человеком: её температура около 5,5 триллиона градусов Цельсия, что в 100 000 раз горячее центра Солнца.
В романе Грега Игана «Лестница Шильда» исследуются экзотические состояния вещества и взаимодействие частиц с вакуумом, что отдалённо перекликается с физикой кварк-глюонной плазмы.