В глубинах Большого адронного коллайдера (БАК) — самого мощного ускорителя частиц в мире — ученые наконец-то увидели то, что десятилетиями оставалось неуловимым. Речь идет о «диффузионном следе» (diffusion wake), который оставляет быстрый кварк или глюон, проходя сквозь кварк-глюонную плазму — сверхгорячую и плотную «суп» из элементарных составляющих материи, похожий на состояние Вселенной в первые микросекунды после Большого взрыва.
Представьте себе: два ядра свинца разгоняются до скоростей, близких к световой, и сталкиваются в детекторе CMS. В этот момент рождается кварк-глюонная плазма — среда, где кварки и глюоны (партоны) существуют свободно, не заключенные внутри протонов и нейтронов. Когда сквозь эту плазму пролетает высокоэнергетичный партон, он теряет энергию и импульс, оставляя за собой возмущение, подобное следу за лодкой в воде. Теория предсказывала такой эффект более 20 лет назад, но экспериментально его все никак не удавалось поймать уверенно — сигнал был слишком слабым на фоне других процессов.
Раньше ученые искали следы в событиях с джетами (струями частиц) и Z-бозонами, но шум от других эффектов маскировал картину. Команда под руководством исследователей из Университета Иллинойса в Чикаго (UIC), включая Рагхунада Прадхана и Ольгу Евдокимову, применила новый подход. Они сосредоточились на диджетных событиях — когда два джета вылетают почти в противоположных направлениях. Это позволило лучше отделить сигнал следа от фона.
Анализ данных столкновений свинец-свинец при энергии 5,02 ТэВ на нуклон показал четкую картину: за джетами наблюдается заметное обеднение частиц низкого импульса (в диапазоне 1–2 ГэВ). Эффект усиливается в центральных, более «плотных» столкновениях, где плазмы образуется больше. Значимость превысила пять стандартных отклонений — это уровень, который в физике частиц считается надежным открытием.
«Это кульминация многолетних поисков, — отметила Ольга Евдокимова. — Наблюдение и количественное описание диффузионного следа открывает дверь к точной характеристике свойств кварк-глюонной плазмы и дает новые insights в эволюцию ранней Вселенной».
Результаты, принятые к публикации в Physical Review Letters (статья HIN-25-012), не просто подтверждают теорию. Они помогают лучше понять, как вела себя материя в самые первые мгновения космоса — когда из этой плазмы формировались первые протоны, нейтроны и, в итоге, вся видимая Вселенная. Плазма ведет себя как идеальная жидкость, сильно взаимодействуя с проходящими через нее частицами, а не как разреженный газ.
Для широкой публики это напоминание о том, как лаборатории на Земле позволяют заглянуть в условия, недоступные для прямого наблюдения. Каждый новый «след», пойманный в коллайдере, приближает нас к пониманию, как из хаоса первых мгновений возник упорядоченный космос, в котором мы существуем. И поиски, конечно, продолжаются.
