В первые мгновения после Большого взрыва материя находилась в состоянии, которое долгое время оставалось лишь теоретической абстракцией. Речь о кварк-глюонной плазме — субстанции, где протоны и нейтроны ещё не успели собраться в привычные частицы, а их внутренние кварки и глюоны существовали в виде раскалённого, почти жидкого сгустка. В 2008 году физики из США, Канады и Германии опубликовали работу, которая не только подтвердила, что эту «первоматерию» можно воссоздать в лаборатории, но и обнаружила в ней неожиданный эффект — ударные волны, сравнимые по силе с теми, что возникают при сверхзвуковом полёте.

Что такое кварк-глюонная плазма и почему она экстремальна

Обычная плазма — уже достаточно горячее состояние: электроны отрываются от атомов, образуя ионизированный газ. Но кварк-глюонная плазма требует на порядки большей энергии. При температурах в триллионы градусов, которые достигаются при столкновении тяжёлых ионов на околосветовых скоростях, кварки перестают удерживаться внутри протонов и нейтронов. Вместо отдельных частиц возникает каплевидный сгусток, где кварки и глюоны свободно перемещаются. Именно такое состояние, как полагают учёные, существовало в первую микросекунду после рождения Вселенной.

Экспериментально получить кварк-глюонную плазму удалось в начале 2000-х годов на релятивистском ускорителе тяжёлых ионов (RHIC) в США. Тогда физики впервые заявили, что смогли воссоздать «первоматерию» в земных условиях. Однако её поведение оставалось загадкой до тех пор, пока не было выполнено численное моделирование, результаты которого и легли в основу статьи в журнале Physical Review C.

Ударная волна в капле плазмы

Исследователи рассчитали, что если в такой плазменный сгусток попадает движущаяся частица — например, протон, — то она порождает волну, очень похожую на ударную волну от самолёта, преодолевающего звуковой барьер в обычном газе. Этот эффект оказался неожиданно сильным и, как подчеркнул один из авторов работы Брайн Ньюфилд, хорошо согласуется с экспериментальными данными с коллайдера.

Самое интересное, что кварк-глюонная плазма, несмотря на свою экзотичность, во многом напоминает обычную жидкость. Её поведение можно описать уравнениями гидродинамики, а значит, для её изучения применимы методы акустики. Это открывает путь к более глубокому пониманию процессов, которые происходили в первые мгновения существования Вселенной, и, возможно, позволит точнее интерпретировать данные будущих экспериментов на ускорителях.

От микромира к космосу

Связь между столкновениями частиц в лаборатории и рождением мироздания — не просто метафора. Кварк-глюонная плазма, полученная на RHIC, — это буквально то же самое состояние, в котором пребывала вся материя, когда Вселенной было меньше одной микросекунды. Изучая, как в ней распространяются ударные волны, учёные фактически реконструируют физику Большого взрыва.

Работа 2008 года стала важным шагом в этом направлении. Она показала, что даже в самой экстремальной среде действуют знакомые законы — гидродинамика и акустика, — и что плазма, вопреки ожиданиям, ведёт себя не как хаотичный газ, а как капля жидкости, способная передавать возмущения. Это, в свою очередь, может объяснить, как в ранней Вселенной формировались первые неоднородности, из которых позже выросли галактики и звёзды.

Физики продолжают исследовать кварк-глюонную плазму на всё более мощных установках, таких как Большой адронный коллайдер. Каждое новое столкновение — это возможность заглянуть в прошлое на 13,8 миллиарда лет назад, в эпоху, когда не было ни атомов, ни света, а лишь раскалённый «суп» из кварков и глюонов, по которому, как выяснилось, могли прокатываться ударные волны чудовищной силы.