Разбивая частицы друг на друга, физики, возможно, создали самую маленькую каплю жидкости во вселенной - бусину протонного размера из горячего, первозданного супа.
Этот суп из частиц представляет собой кварк-глюонную плазму, жидкость, которая заполнила космос в течение первых микросекунд после Большого взрыва. Это на триллионах градусов, и почти без трения, он вращается со скоростью, близкой к скорости света.
«Это самая экстремальная жидкость из всех, что нам известны», - говорит Жаклин Норонха-Хостлер, физик-теоретик из Университета Рутгерса в Нью-Джерси.
Физики уже сталкивались с частицами, чтобы создать этот изначальный суп, и некоторые эксперименты показали, что при определенных столкновениях образуются капли размером с протон. В новой статье, опубликованной 10 декабря в журнале Nature Physics, физики из экспериментального эксперимента по ядерным взаимодействиям в области высоких энергий (PHENIX) сообщили о том, что может быть самым убедительным доказательством того, что такие капли могут быть такими крошечными.
«Это действительно заставляет нас переосмыслить наше понимание взаимодействий и условий такого типа потока капель», - говорит Джейми Нейгл, физик из Университета Колорадо в Боулдере, который анализировал данные в самых последних экспериментах. Результаты могут помочь физикам лучше понять кварк-глюонную плазму ранней Вселенной и природу жидкостей.
«Это означает, что мы должны переписать наши знания о том, что значит быть жидкостью», - сказала Норонха Хостлер, которая не была частью новых экспериментов, в интервью Live Science.
Эксперименты проводились на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке, где физики создали первую кварк-глюонную плазму в 2005 году, объединив атомные ядра. Кварк - фундаментальная частица, которая составляет протоны и нейтроны, которые в свою очередь составляют атомные ядра. Глюоны - это несущие силу частицы, которые удерживают кварки в протоне или нейтроне с помощью сильной силы, одной из фундаментальных сил природы.
Физики ранее предполагали, что капли кварк-глюонной плазмы должны быть относительно большими, сказал Норонха-Хостлер. Мысль пошла, чтобы капля текла как жидкость, объект должен был быть намного больше, чем составляющие его частицы. Например, типичная капля воды намного больше, чем ее собственные молекулы воды. С другой стороны, крошечный комок из, скажем, трех или четырех отдельных молекул воды не будет вести себя как жидкость, подумали исследователи.
Таким образом, чтобы сделать капли кварк-глюонной плазмы как можно большими, физики из RHIC собрали вместе атомные ядра, такие как золото, которые производят капли одинакового размера - примерно в 10 раз больше, чем протон. Но физики обнаружили, что, когда они сталкивались с более мелкими частицами, они неожиданно обнаруживали намеки на капли жидкости протонного размера - например, в столкновениях между протонами, совершаемых на Большом адронном коллайдере недалеко от Женевы.
Чтобы выяснить, могут ли эти крошечные капельки действительно существовать, физики используют детектор PHENIX на протонах, запущенных RHIC; ядра дейтронов, каждое из которых содержит протон и нейтрон; и ядра гелия-3 у ядер золота. Ученые полагали, что если бы в результате этих столкновений образовались жидкие капли из кварк-глюонной плазмы, то эти капли имели бы различную форму в зависимости от того, что попало в ядра золота. Удар протона создаст круглую каплю; дейтрон будет давать эллиптическую каплю, а гелий-3 - треугольную каплю.
Такая капля будет жить всего 100 миллиардов миллиардных долей секунды, прежде чем интенсивная жара заставит каплю расширяться так быстро, что она взорвется в потоке других частиц.
Измеряя частицы частиц, исследователи реконструировали исходную каплю. Они искали эллиптические и треугольные формы в каждом из трех типов столкновений, делая шесть полных измерений. Эксперименты заняли несколько лет, и, в конце концов, исследователи обнаружили формы контрольных сигналов, предполагая, что столкновения действительно создали капли протонного размера.
«С полным набором из шести измерений трудно найти другое объяснение, кроме изображения капель», - сказал Нейгл в интервью Live Science.
В то время как результаты убедительны, Норонха-Хостлер сказала, что она еще не совсем уверена. Исследователи все еще нуждаются в более точных измерениях струй, возникающих в результате столкновений частиц. Если бы образовались крошечные капельки жидкости, то удары между ядрами золота и протонами, дейтронами или гайлом-3 должны были привести к появлению высокоскоростных частиц, которые образовывали струи, которые затем могли бы взорваться через вновь созданные капли кварк-глюонов. Когда струя просачивалась сквозь жидкость, она теряла бы энергию и замедлялась, как пуля, пронизывающая воду.
Но пока измерения показывают, что джеты не потеряли столько энергии, сколько прогнозировали. Будущие эксперименты, такие как обновленная версия PHENIX, запуск которой запланирован на 2023 год, должны помочь физикам лучше понять, что происходит, и точно определить, могут ли такие крошечные капельки существовать, считает Норонха-Хостлер.
