Раскрывая экстремальные температуры: Z-бозон в поисках нового механизма «самого горячего вещества во Вселенной»

Ученые, используя Z-бозон в качестве зонда на Большом адронном коллайдере (БАК), раскрыли новые детали того, как самое горячее вещество во Вселенной — кварк-глюонная плазма (КГП) — поглощает энергию, что бросает вызов существующим теоретическим моделям. Это исследование дает важные ключи к пониманию состояния ранней Вселенной сразу после Большого взрыва.

Чтобы глубже понять КГП, физики остроумно используют Z-бозон в качестве посланника. Поскольку Z-бозон не взаимодействует с КГП, он может проходить сквозь плазму почти без влияния, точно фиксируя информацию о начальном состоянии. Анализируя разницу импульсов мюонов, рождающихся при распаде Z-бозона, и их струй отдачи, ученые смогли определить энергию, которую теряют кварки при прохождении через КГП.

В данном исследовании использовались данные протон-протонных и свинец-свинцовых столкновений, собранные детектором CMS, для точного измерения параметра дисбаланса импульсов x_Zj. Благодаря технике «развертки» (unfolding) для устранения погрешностей детектора, исследователи смогли напрямую сравнить экспериментальные результаты с теоретическими предсказаниями. Результаты показывают, что кварки испытывают значительную потерю энергии при прохождении через КГП, что приводит к уменьшению количества и снижению импульса сопутствующих струй.

Что еще более важно, эффект подавления струй, наблюдаемый командой CMS, бросает вызов существующим теоретическим моделям. Современные ведущие модели хорошо описывают струи с умеренной потерей энергии, однако предсказания для случаев интенсивного подавления энергии недостаточны и расходятся с фактическими измерениями.

На рисунке показано отношение импульса струи к импульсу Z-бозона (x Zj ) после развертки для свинец-свинцовых и протон-протонных столкновений, представленное в виде отношения, а также сравнение с новейшими теоретическими предсказаниями эффектов кварк-глюонной плазмы (цветные пунктирные линии). Рисунок демонстрирует значительный эффект подавления струй и указывает на необходимость дальнейших теоретических исследований для лучшего описания экспериментальных данных.

Рафаэль Дели Гатти, аспирант Триестского университета, отметил: «Благодаря уникальным свойствам Z-бозона мы можем точно знать начальную энергию кварка отдачи. Однако наблюдаемая частота выживания сильно подавленных кварков выше, чем предсказывают лучшие современные модели. Это указывает на то, что наше понимание механизмов передачи энергии от плазмы кваркам остается неполным».

В будущем, с вводом в эксплуатацию Большого адронного коллайдера высокой светимости (БАК СВ) и накоплением большего объема данных, а также благодаря углубленным исследованиям внутренней структуры струй и их различных размеров, ученые смогут более полно раскрыть механизмы работы КГП и глубже понять фундаментальные взаимодействия ранней Вселенной.