Большой адронный коллайдер (БАК), построенный в Швейцарии в рамках ЦЕРН (Европейской Организации по ядерным исследованиям), известен обнаружением бозона Хиггса, возникающего в результате столкновения нескольких протонов, которые движутся со скоростью, близкой к скорости света. В рамках работы Коллайдера ученые сталкивали между собой также ионы свинца с целью создания кварков и глюонов – элементарных частиц внутри протонов и нейтронов атомного ядра. Эксперименты в рамках БАК недавно показали, что кварк-глюонная плазма является более жидкой, чем представляли себе физики.

Адам Бждак (Adam Bzdak) из исследовательского центра RIKEN BNL Национальной лаборатории Брукхэйвен (США) и его коллега Владимир Скоков (Vladimir Skokov) из Университета Западного Мичигана попытались объяснить это явление.

Когда два иона свинца сталкиваются между собой, создаваемая ими кварк-глюонная плазма течет как жидкость. Этот гидродинамический поток переносит и другие частицы, возникающие в результате столкновения, как быстрая река несет плывущие по ней лодки.

Замена одного из сталкивающихся ионов на протон должна была привести к тому, что этот «горячий суп» оказался бы не таким жидким, поскольку в таком случае количество сталкивающихся частиц уменьшалось. По этой причине ученые были удивлены, когда обнаружили, что продукты этого столкновения также движутся с волной плазмы.

Бждак и Скоков определили, что произошло бы с возникающими в результате столкновения ионами, протонами и каонами в том случае, если бы кварки и глюоны действовали независимо, без гидродинамического взаимодействия.

После этого они сравнили результаты этой модели «поврежденного нуклеона» с данными о столкновении частиц в БАК. Они обнаружили, что

ионы – наиболее яркие частицы – действовали совсем не так, как показывала модель, поскольку более тяжелые каоны и протоны обладали большим импульсом, чем предполагалось.

По словам Бждак, более тяжелые частицы получали более сильный импульс от гидродинамического воздействия. «Это указывает на действие законов гидродинамики».

Выводы Бждак и Скокова могут помочь ученым лучше понять кварк-глюонную плазму, которая наполнила Вселенную в первые мгновения ее существования. Определение того, как кварки и глюоны взаимодействуют под влиянием различных сил, также может уточнить квантовые теории, которые описывают их поведение.

Бждак отмечает, что существует и другое объяснение явлениям, наблюдаемым в БАК: эта модель называется моделью «конденсата цветового стекла».

Она предсказывает, что

под воздействием значительных сил протоны насыщаются кипящей массой дополнительных глюонов, что объясняет увеличение импульса более массивных частиц, образующихся в результате столкновения.

По словам Бждак,

следующий вызов для физиков заключается в проверке экспериментальных предположений двух моделей с целью определения, какая из них лучше описывает кварк-глюонную плазму.