Kwarki pozostawiają „ślad” w praoceanach wszechświata: CMS i MIT dostarczyły najczystszy dowód na to, że plazma kwarkowo-gluonowa zachowuje się jak ciecz
W pierwszych mikrosekundach po Wielkim Wybuchu wszechświat nie był wypełniony atomami, gwiazdami ani nawet protonami i neutronami, lecz ekstremalnie gorącą i gęstą mieszaniną kwarków i gluonów. Ta faza, znana jako plazma kwarkowo-gluonowa (QGP), uważana jest za najwcześniejszą formę materii: istniała krótko, podczas gdy wszechświat się ochładzał, a następnie kwarki i gluony „zamknęły się” w hadronach, budulcach dzisiejszej materii. Właśnie dlatego QGP jest jednym z niewielu ogniw łączących podstawową fizykę cząstek z kosmologią – te same prawa można testować w laboratorium, a następnie włączyć w szerszy obraz tego, jak ze stanu początkowego rozwinęła się struktura wszechświata.
Zderzenia jonów ołowiu jako okno na najwcześniejszy wszechświat
Aby zrozumieć ten początkowy „przepis”, fizycy w CERN w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) zderzają ciężkie jony – najczęściej jądra ołowiu – przy prędkościach bliskich prędkości światła. W tych zderzeniach, na ułamek ułamka sekundy, powstaje kropla QGP o temperaturach mierzonych w bilionach stopni. Chociaż trwa to niezwykle krótko, ślady jej zachowania pozostają zapisane w rozkładzie cząstek, które wylatują ze zderzenia i są rejestrowane przez detektory takie jak CMS (Compact Muon Solenoid). Analizy opierają się na tym, że statystyka dużej liczby zderzeń, przy precyzyjnej rekonstrukcji torów i energii, pozwala na wyodrębnienie z szumu zdarzeń stabilnego wzorca – swoistej „fotografii” najbardziej egzotycznego stanu materii, jaki możemy dziś wytworzyć.
Długoletnia debata: rozpraszanie cząstek czy przepływ kolektywny?
Jednym z kluczowych pytań w fizyce oddziaływań silnych było to, jak QGP reaguje, gdy przelatuje przez nią „twarda” cząstka o wysokiej energii, na przykład kwark powstający w zderzeniu. Jeśli QGP zachowuje się jak zbiór luźno powiązanych cząstek, przejście kwarka powinno wyglądać jak seria losowych zderzeń i rozproszeń, bez uporządkowanego wzorca w „miękkich” cząstkach o niskim pędzie. Jeśli jednak QGP jest rzeczywiście kolektywnym, niemal „idealnym” płynem o bardzo niskiej lepkości, to przejście kwarka powinno wywołać odpowiedź podobną do fali lub śladu hydrodynamicznego (wake): energia, którą kwark traci, pociąga za sobą otaczający ośrodek i zmienia się w zorganizowany przepływ oraz zaburzenia gęstości, które rozprzestrzeniają się jak fale w wodzie.
Właśnie ten ślad hydrodynamiczny fizycy próbowali uchwycić w danych od lat, ale sygnał często gubił się w tle innych procesów. Kluczowym problemem było to, że kwarki zazwyczaj powstają w parach z antycząstką: gdy jeden dżet idzie w jednym kierunku, drugi idzie w przeciwnym, a ich ślady w złożonym zderzeniu mogą się wzajemnie nakładać. Aby uzyskać „czysty” przypadek jednego dżetu i jednego jasnego przejścia przez ośrodek, należało znaleźć zdarzenie, w którym kierunek kwarka można oznaczyć bez tworzenia „partnera”, który przesłoniłby obraz.
Dlaczego bozon Z jest kluczowy: „neutralny znacznik” bez wpływu na ośrodek
Międzynarodowy zespół w ramach współpracy CMS, w którym ważną rolę odgrywają fizycy z MIT, skupił się na rzadkiej, ale bardzo czystej sygnaturze: zdarzeniach, w których w tym samym zderzeniu powstają bozon Z i wysokoenergetyczny kwark. Bozon Z jest neutralną cząstką oddziaływania słabego, która przechodzi przez QGP praktycznie bez zakłóceń, nie pozostawiając własnej „fali”. To czyni go idealnym znacznikiem (tagiem), który wskazuje, gdzie w zdarzeniu powstał wysokoenergetyczny dżet kwarkowy, a jednocześnie sam nie zamglona obrazu ośrodka.
Logika jest prosta: bozon Z i kwark powstają „plecami do siebie”, w przeciwnych kierunkach. Kierunek bozonu Z daje precyzyjny wektor, według którego można zdefiniować układ współrzędnych analizy. Wszystko, co wydarzy się w QGP po przeciwnej stronie, gdzie przechodzi kwark i jego dżet, można w dużym stopniu przypisać właśnie interakcji kwarka z ośrodkiem. W praktyce oznacza to badanie rozkładów ładunku i energii cząstek o niskim pędzie poprzecznym w stosunku do kąta i pseudorapidytetu względem bozonu Z oraz porównywanie ich z sytuacjami referencyjnymi, w których QGP nie występuje.
Od 13 miliardów zderzeń do około 2000 „złotych” zdarzeń
W analizie danych zebranych w zderzeniach ciężkich jonów zespół CMS przeszukał około 13 miliardów zdarzeń i zidentyfikował w przybliżeniu 2000 przypadków z bozonem Z, który spełnia surowe kryteria wysokiego pędu poprzecznego, w zakresie od 40 do 350 GeV. Analiza opierała się na danych ze zderzeń PbPb zebranych w 2018 roku przy energii zderzenia na parę nukleonów wynoszącej 5,02 TeV, przy zintegrowanej świetlności około 1,67 nb⁻¹, oraz na porównawczych danych pp z 2017 roku przy tej samej energii (około 301 pb⁻¹). Po wyborze zdarzeń badacze „przetłumaczyli” każde zderzenie na mapę rozkładu cząstek o niskim pT w stosunku do kierunku bozonu Z, szukając asymetrii, które byłyby sygnaturą odpowiedzi ośrodka na przejście dżetu.
Wynikiem jest wzorzec, który fizycy opisują jako spójną modyfikację rozkładów po stronie przeciwnej do bozonu Z: pojawiają się jednocześnie wzmocnienia i ubytki w określonych obszarach kątowych, co odpowiada obrazowi „pociągania” ośrodka i tworzenia obszarów niedoboru (hole) i nadmiaru (recoil) cząstek. W wstępnych wynikach CMS opublikowanych 9 października 2024 r. podkreślono, że w zderzeniach PbPb widać znaczącą zmianę rozkładów azymutalnych i pseudorapidytetu w stosunku do referencji pp, właśnie w obszarze niskiego pT około 1–2 GeV. W ostatecznej, recenzowanej wersji opublikowanej jako list w czasopiśmie Physics Letters B nacisk położono na interpretację: zaobserwowane wzorce są zgodne z hydrodynamicznym „śladem”, który powstaje, gdy dżet wyczerpuje energię z plazmy kwarkowo-gluonowej, a ośrodek następnie odpowiada kolektywnie.
Co właściwie oznacza „fala” w plazmie kwarkowo-gluonowej
W klasycznej cieczy fala powstaje, ponieważ zostaje zaburzona równowaga: ciało w ruchu wypycha otaczający ośrodek, tworząc obszary nadmiaru i niedoboru gęstości, a następnie zaburzenie rozprzestrzenia się i tłumi. W QGP obraz jest kwantowy i relatywistyczny, ale analogia jest użyteczna: kwark lub dżet traci energię i pęd w ośrodku, a QGP odpowiada na to kolektywnym przepływem i redystrybucją energii w „miękkie” cząstki o niskim pędzie. Właśnie w tym miękkim sektorze – który tradycyjnie trudno powiązać z dokładnie określoną „twardą” cząstką – szuka się dowodu na to, że plazma nie reaguje losowo, lecz jako całość.
W samej pracy CMS podkreśla się, że zaobserwowane korelacje są zgodne z oczekiwaniami hydrodynamicznego śladu: gdy dżet „wyciąga” energię z plazmy, za nim pozostaje obszar ubytku, podczas gdy część ośrodka przyspiesza i „odpycha się” w innych kierunkach, tworząc nadmiar cząstek o niskim pT pod charakterystycznymi kątami. W praktyce wygląda to jak złożony wzór „rozprysków” i „wirów” w rozkładach, ale kluczowe przesłanie jest proste: reakcja nie jest losowa, lecz kolektywna i płynna. Innymi słowy, QGP nie zachowuje się jak rozrzedzona chmura cząstek, lecz jak gęsty stan, w którym zaburzenia rozprzestrzeniają się przez ośrodek i pozostawiają rozpoznawalny odcisk.
Modele hybrydowe i dlaczego dane pokrywają się z teorią
Znaczenie wyniku polega nie tylko na tym, że zaobserwowano sygnał, ale także na tym, że można go postawić w bezpośrednim związku z przewidywaniami teoretycznymi. W opisach QGP dzisiaj często łączy się dwa światy: kwantowy opis dżetów (kaskad partonowych), które powstają w twardym zderzeniu, oraz hydrodynamiczny opis ośrodka, który zachowuje się jak ciecz. Takie „hybrydowe” podejścia pozwalają na to, by energia utracona z dżetu nie była traktowana jako zaginiona, lecz jako coś, co trafia do kolektywnego przepływu QGP. W wersji arXiv pracy oraz w opublikowanym liście podkreśla się, że zaobserwowane modyfikacje są kompatybilne z oczekiwaniami właśnie takich modeli, które przewidują jednoczesne istnienie „dziury” w kierunku dżetu i „odpowiedzi” ośrodka poprzez wzmocnienie miękkich cząstek.
Fizycy ostrzegają przy tym, że jest to pierwszy dowód w tym specyficznym kanale pomiarowym: korelacje bozonu Z z miękkimi hadronami w zderzeniach ciężkich jonów. Siła metody polega na tym, że bozon Z działa jako „cichy świadek” zdarzenia, więc na jego podstawie można precyzyjniej zrekonstruować kierunek i energię dżetu, który przeszedł przez plazmę, bez dodatkowego zanieczyszczenia sygnału. Takie podejście zmniejsza niejednoznaczności, które nękały wcześniejsze próby parowania dwóch przeciwnych dżetów, gdzie trudno było oddzielić, „kto komu przesłonił ślad”.
Dlaczego jest to ważne dla szerszego obrazu wczesnego wszechświata
Podczas gdy QGP od dłuższego czasu jest opisywana jako ośrodek zachowujący się jak niemal „idealna ciecz”, udowodnienie kolektywnej odpowiedzi na pojedynczą cząstkę o wysokiej energii ma dodatkową wagę. Takie pomiary dają dostęp do właściwości transportowych plazmy: jak skutecznie przenosi energię i pęd, jak szybko zaburzenie jest tłumione oraz jak energia rozprzestrzenia się w przestrzeni i czasie. Są to parametry stojące za pojęciami takimi jak lepkość i dyfuzja, a w ekstremalnych warunkach QGP są one kluczowe dla zrozumienia, jak „twarde” procesy (powstawanie dżetów) splatają się z „miękkim” kolektywnym zachowaniem ośrodka.
W szerszym sensie jest to również test obrazu wczesnego wszechświata. Według przeglądów historii i programu ciężkich jonów CERN, plazma kwarkowo-gluonowa dominowała we wszechświecie mniej niż dziesięć mikrosekund po Wielkim Wybuchu. W tym okresie materia była tak gorąca i gęsta, że kwarki i gluony nie mogły być związane w protony i neutrony. Jeśli QGP wtedy rzeczywiście zachowywała się jak ciecz, jej kolektywna dynamika mogła wpłynąć na sposób, w jaki energia i gęstość ulegały redystrybucji, gdy wszechświat się ochładzał i przechodził w fazę hadronową. Dzisiejsze pomiary nie „rekonstruują” bezpośrednio przebiegu kosmologicznego, ale bezpośrednio testują fizykę, która musiała w nim działać.
Co dalej: precyzyjniejsze „mapowanie” śladu w plazmie
Autorzy podkreślają, że metoda z bozonem Z otwiera drzwi do bardziej systematycznych analiz. Dzięki zwiększeniu próby i analizie różnych klas centralności zderzeń możliwe będzie precyzyjniejsze określenie geometrii i „grubości” ośrodka, przez który przechodzi dżet. Porównanie z symulacjami pozwoli ocenić, jak szybko ślad się rozprzestrzenia, jak długo trwa, zanim „wyrówna się” w szumie cząstek, oraz jak zależy od energii i rodzaju początkowego partonu. Z praktycznego punktu widzenia jest to droga do precyzyjniejszego określenia właściwości QGP w sposób odporny na niepewności eksperymentalne i teoretyczne, ponieważ opiera się na cząstce (bozonie Z), która jest niezwykle dobrze „skalibrowana” i słabo wrażliwa na ośrodek.
Dla odbiorców spoza wąskiego kręgu ekspertów najważniejsze przesłanie jest jasne: w laboratorium coraz przekonującej pokazuje się, że „pierwotna zupa” wszechświata rzeczywiście była zupą – ośrodkiem, który płynie i reaguje jako całość. Gdy kwark pędzi przez tę kroplę powstałą w zderzeniu ołowiu, może pozostawić za sobą ślad, który czyta się jak falę na wodzie, tylko w skali, w której temperatury, gęstości i prędkości wykraczają poza codzienne doświadczenie, a wnioski wyciąga się z precyzyjnych wzorców statystycznych miliardów zderzeń.
Źródła:- Physics Letters B – otwarty list współpracy CMS o korelacjach bozonu Z i hadronów oraz dowodach na energię indukowaną sondą i odpowiedź ośrodka (link)
- arXiv – preprint CMS-HIN-23-006 (arXiv:2507.09307) z opisem pomiaru i interpretacji sygnału hydrodynamicznego wake (link)
- CMS Public Results – wstępny wynik HIN-23-006 (9 października 2024 r.) i podsumowanie zaobserwowanych modyfikacji w zderzeniach PbPb (link)
- CERN – przegląd „CERN70: Tasting the primordial soup” o plazmie kwarkowo-gluonowej i wczesnym wszechświecie (link)
- U.S. Department of Energy – „The Big Questions: Barbara Jacak on the Quark-Gluon Plasma” o celu i metodach wytwarzania QGP w laboratorium (link)
Czas utworzenia: 2 godzin temu