Науковці зі США досліджують, як важкі частинки проходять крізь кварк-гюонну плазму. Це дозволить їм зрозуміти поведінку цієї вкрай незвичної субстанції, з якої складався увесь наш світ впродовж перших мікросекунд свого існування.
Кварк-гюонна плазма
Як повідомляє сайт Phys.org, науковці з Массачусетського технологічного інституту та Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі нещодавно дослідили одну з найдивніших субстанцій у Всесвіті — кварк-глюонну плазму. Результати дослідження, виконаного із застосуванням теорії Альберта Ейнштейна опубліковані в журналі Physical Review Letters.
Колись, через кілька мілісекунд після утворення Всесвіту вся матерія в ньому складалася лише з окремих кварків шести різних видів і глюонів, крихітних частинок, що зазвичай скріплюють їх у більші частинки, але тоді носилися із шаленою швидкістю, породжуючи хаос. Але потім щільність енергії впала і глюони «склеїли» кварки у протони та нейтрони завдяки сильній взаємодії, переносниками якої вони є.
Відтоді кварк-глюонна плазма трапляється переважно в земних лабораторіях, де її вдається підтримувати лише протягом надзвичайно короткого часу. Досліджувати її дуже складно, і науковці шкодують про це, адже іноді в ній можуть відбуватися процеси, які квантова механіка не здатна пояснити.
У новому дослідженні науковці спробували розглянути кварк-глюонну плазму як найдавнішу рідину у Всесвіті. Насправді рідиною в звичному розумінні вона не є: плазма не складається з молекул і навіть у строгому сенсі цього слова не тече. Однак певні аналогії тут цілком доречні, тому дослідники вирішили застосувати до неї одну цікаву теорію, розроблену Альбертом Ейнштейном.
Броунівський рух у кварк-глюонній плазмі
У 1905 році Альберт Ейнштейн запропонував теоретичне пояснення броунівського руху — явища, відкритого за століття до того. Воно полягає в тому, що дрібні частинки твердих матеріалів всередині рідини самочинно рухаються. Ейнштейн дав загальновідоме зараз пояснення, що на них впливає тепловий рух молекул.
І той самий принцим вирішили використати дослідники у роботі з кварк-глюонною плазмою. Вони ввели в її склад важкі кварки. Теоретично ті мали б поводитися як частинки у воді. Якщо відобразити на графіку силу поштовхів, які вони отримують, то вони утворюють всім відомий «дзвін» нормального розподілу.
Однак якщо частинка рухається з релятивіською швидкістю, все відбувається трохи не так, і саме цей випадок цікавить науковців. Команда почала зі сценарію релятивістського важкого кварка, що летить крізь газ із кварків та глюонів, які слабо взаємодіють. Це стало відправною точкою для розрахунків.
Для цього стартового сценарію вчені розрахували потужну ядерну силу важкого кварка і те, наскільки ймовірно зміниться його імпульс, коли він рухається крізь газ кварків і глюонів. У результаті отримали криву розподілу можливих змін імпульсу кварка. Вона також відображає ймовірність того, що кварк зазнає поштовхів різної сили: сильніші взаємодії спричиняють більші зміни його імпульсу.
Результати досліджень
Крива, яку розрахували дослідники, була дзвоноподібною, на кшталт тієї, яку Ейнштейн знайшов з іншими рідинами, лише для невеликих ударів. І, на відміну від дзвоноподібної кривої Ейнштейна, те, що знайшла команда, показало нахил важких кварків, що рухаються з релятивістською швидкістю. Хвости на обох кінцях кривої були нерівними й виявили дивовижний дисбаланс у типах ударів, які зазнав би важкий кварк.
Далі команда провела ті самі розрахунки для плазми, що складається з різних частинок. Виявилося, що незалежно від її складу розподіл описує одна й та сама крива з певним нахилом. Навіть більше, цю закономірність можна було побачити й у попередніх розрахунках для сильно взаємодіючої плазми, попри відмінності в мікроскопічних фізичних процесах. На думку дослідників, це свідчить про те, що взаємодії в первинній плазмі були достатньо сильними, аби вона поводилася радше як рідина, ніж як газ.
