В первые доли секунды после Большого взрыва вещество существовало в виде плазмы из кварков и глюонов. Этот бурлящий «бульон» просуществовал всего несколько микросекунд, после чего частицы объединились в более стабильные протоны и нейтроны. Для изучения этой первозданной субстанции ученые воссоздают кварк-глюонную плазму в крупных ускорителях частиц.

Один из способов, с помощью которого ученые изучают эту плазму, — отслеживание других частиц, например тяжелых кварков, которые не входят в состав плазмы, но проходят сквозь нее. Характер движения тяжелой частицы в среде может дать представление о микроскопической структуре самой этой среды. Эта фундаментальная закономерность была установлена Альбертом Эйнштейном в 1905 году.

Физики из Массачусетского технологического института и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре взялись за дальнейшую разработку теории Эйнштейна. Они рассчитали силы, которые, должен испытывать тяжелый кварк, перемещаясь в среде с релятивистскими скоростями. Для этого они выполнили расчеты сильного ядерного взаимодействия — фундаментальной силы, которая удерживает вместе кварки и глюоны.

В качестве отправной точки ученые рассмотрели сценарий, в котором релятивистский тяжелый кварк движется сквозь газ, состоящий из слабо взаимодействующих кварков и глюонов. Они вычислили силу сильного ядерного взаимодействия, действующую на тяжелый кварк, а также оценили, как может изменяться его импульс при движении через среду из кварков и глюонов. В результате была получена кривая распределения вероятностей изменения импульса кварка, пишет MIT News. Также она отражает вероятность того, что кварк получит «толчок» определенной силы: более мощные воздействия приводят к более существенным изменениям импульса частицы.

Рассчитанная исследователями кривая имела колоколообразную форму и походила на кривую, которую Эйнштейн получил для других жидкостей.

Однако, в отличие от нее, результат продемонстрировал асимметрию для тяжелых кварков, движущихся с релятивистскими скоростями. Хвосты по краям кривой оказались неравномерными, что указало на неожиданный дисбаланс в характере толчков, воздействующих на тяжелый кварк.

Исследователи провели аналогичные расчеты для плазмы, состоящей из других типов частиц. Выяснилось, что эта асимметрия сохраняется независимо от состава плазмы. Более того, оказалось, что эта закономерность уже присутствовала — хотя и оставалась незамеченной — в более ранних расчетах для сильно взаимодействующей плазмы, несмотря на различия в микроскопических физических процессах.

По словам ученых, первичная кварк-глюонная плазма «характеризуется более сильным взаимодействием, чем можно было бы предположить, исходя из моделирования на основе броуновского движения. Она больше похожа на жидкость, чем на газ». Исследователи полагают, что новая теория может быть использована для прогнозирования перемещений тяжелого кварка в кварк-глюонной плазме.

«Впервые эта, казалось бы, универсальная структура была выявлена и по-настоящему формализована, — подытожил Жан дю Плесси, один из исследователей. — Таким образом, открывается четкий путь к более глубокому пониманию кварк-глюонной плазмы с помощью тяжелых кварков».

До 2025 года физики полагали, что столкновение больших ионов с небольшими не может привести к появлению кварк-глюонной плазмы. Однако новый анализ данных, собранных в ходе эксперимента PHENIX, доказал обратное. Это первое прямое свидетельство того, что энергетические частицы, созданные в коллайдере, иногда теряют энергию и скорость.