Материя, которая была на заре Вселенной: что ученые узнали о ней и почему это важно

Загадочное состояние материи

Кроме известных состояний материи (твердое, жидкое и т.д.) есть и кварк-глюонная плазма (КГП), агрегатное состояние вещества в физике высоких энергий и элементарных частиц. При нем адронное вещество переходит в состояние, аналогичное тому, в котором электроны и ионы находятся в обычной плазме. До этого состояния вещество является глазмой, а затем — адронным газом. Пока КГП не обнаружили экспериментально, кварк-глюонная плазма была лишь физической гипотезой.

Глазма — одно из состояний материи: состояние адронного поля, предшествующее при столкновениях в ускорительных экспериментах кварк-глюонной плазме.

Недавно исследователи обнаружили, что она — составная часть ранней Вселенной и существовала через микросекунду после Большого взрыва. По сути, этот суп из кварков и глюонов со временем охлаждался, образуя строительные блоки всей материи. И ученые давно пытаются больше узнать о ней.

Как изучали кварк-глюооную плазму?

Один из способов воспроизвести экстремальные условия, преобладавшие при существовании КГП, — это столкнуть релятивистски тяжелые ионы. Для этого есть такие ускорители частиц, как Большой адронный коллайдер (БАК) и Релятивистский коллайдер тяжелых ионов. Физикам удалось больше узнать о КГП именно благодаря экспериментальным данным об этих столкновениях. Также ученые использовали многоступенчатые релятивистские гидродинамические модели, чтобы понять, почему КГП ведет себя почти как идеальная жидкость.

В чем проблема?

Однако между моделями и данными в области малых поперечных импульсов до сих пор остались существенные разногласия. Традиционная и гибридная модели не объяснили выходы частиц, наблюдаемые в экспериментах.

Именно поэтому исследователи из Японии во главе с физиком-теоретиком профессором Тетсуфуми Хирано из Софийского университета провели исследование, чтобы объяснить недостающие выходы частиц в релятивистских гидродинамических моделях. Ученые предложили новую структуру динамической инициализации ядро-корона (dynamic core-corona initialization, DCCI2), чтобы всесторонне описать высокоэнергетические ядерные столкновения.

Динамическая инициализация — это процесс, в котором значение инициализации не известно во время компиляции. Его можно вычислить только во время выполнения для инициализации переменной.

Новая теория

Вот как это работает. Частицы, генерируемые во время ядерных столкновений высокой энергии, описывают с использованием двух компонентов: ядро (уравновешенное вещество) и корона (неуравновешенное вещество). Такой метод позволил физикам изучить вклад компонентов ядра и короны в образование адронов в области с низким поперечным импульсом, объясняют авторы исследования.

Что сделали ученые?

В рамках нового эксперимента они провели моделирование столкновений тяжелых ионов Pb-Pb (свинец) на программе компьютерного моделирования PYTHIA при энергии 2,76 ТэВ, чтобы проверить структуру DCCI2.

Электронвольт — внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике, в физике элементарных частиц и в близких и родственных областях науки. Тераэлектронвольт (ТэВ) — 1 трлн электронвольт. Последнее поколение ускорителей элементарных частиц позволяет достичь нескольких триллионов электронвольт (тераэлектронвольт, ТэВ). Один ТэВ приблизительно равен (кинетической) энергии летящего комара. Один гигаэлектронвольт (ГэВ) — 1 млрд электронвольт.

Динамическая инициализация флюидов КГП позволила разделить компоненты ядра и короны, которые подверглись адронизации переключения гиперповерхности и фрагментации струны соответственно. Затем эти адроны распались и ученые получили спектры поперечного импульса (p T). «Мы отключили рассеяние адронов и выполнили только резонансные распады, чтобы увидеть разбивку общего выхода на компоненты ядра и короны, поскольку рассеяние адронов смешивает два компонента на поздней стадии реакции», — объясняют ученые.

Затем физики исследовали долю компонентов ядра и короны в спектрах p T заряженных пионов, заряженных каонов, а также протонов и антипротонов для столкновений при 2,76 ТэВ. После они сравнили эти спектры с теми, которые получили из экспериментальных данных (от детектора ALICE на БАК для столкновений Pb-Pb при 2,76 ТэВ), чтобы количественно оценить вклад компонентов короны. Наконец, они исследовали влияние ее компонентов на переменные потоки.

Что обнаружили физики?

В результате эксперимента физики обнаружили относительное увеличение вклада короны в спектральной области примерно 1 ГэВ. Хотя это было верно для всех адронов, ученые зафиксировали почти 50% вклад короны в рождение частиц в спектрах протонов и антипротонов в области очень низких p T (≈0 ГэВ).

Кроме того, результаты полного моделирования DCCI2 показали лучшее совпадение с экспериментальными данными ALICE по сравнению со сравнением только компонентов ядра с адронным рассеянием (без учета компонентов короны). Ученые обнаружили, что вклад короны отвечает за разбавление четырехчастичных кумулянтов (наблюдаемый поток), полученных исключительно из вкладов ядра, что указывает на большее количество перестановок частиц с вкладом короны.

«Результаты подразумевают, что неравновесные компоненты короны способствуют образованию частиц в области очень низких поперечных спектров. Это объясняет недостающие выходы в гидродинамических моделях, которые извлекают из экспериментальных данных только уравновешенные компоненты ядра. Очевидно, что для более точного понимания свойств КГП необходимо также извлечь неуравновешенные компоненты», — заключают ученые.

Читать далее:

Назван витамин, который защищает мозг от слабоумия

Посмотрите, как менялась Земля за 100 млн лет на самой подробной карте

Выяснилось, какие мужчины наиболее плодовиты: их сперма на 50% лучше, чем у остальных

^{Изображение обломков, оставшихся после создания кварк-глюонной плазмы при столкновении двух ядер в Брукхейвенской национальной лаборатории
Изображение предоставлено Брукхейвенской национальной лабораторией}

^{Иллюстрация на обложке: Illustris Collaboration}