Кварк-глюонна плазма: як виглядала матерія на світанку Всесвіту?

Уявіть перші миті після Великого вибуху: Всесвіт – розпечений хаос, ще не існує атомів чи навіть протонів і нейтронів. Натомість усе заповнене екзотичним «супом» із найдрібніших частинок – кварків і глюонів, що вільно рухаються у надгустому середовищі[1]. Цей стан матерії називається кварк-глюонна плазма (скорочено КГП), і він є ключем до розуміння того, як народжувався наш Всесвіт. У наукових лабораторіях сьогодення вчені навчилися відтворювати крихітні «краплі» такої плазми, щоб дослідити її властивості та зазирнути в умови раннього Всесвіту. У цьому лонгріді ми пояснимо, що таке кварк-глюонна плазма, коли вона існувала, як її вивчають сьогодні і чому ці дослідження такі важливі – зрозумілою мовою для всіх, хто цікавиться наукою.

Що таке кварк-глюонна плазма?

Кварк-глюонна плазма (КГП) – це особливий стан матерії, в якому кварки та глюони перестають бути зв’язаними в межах протонів і нейтронів і існують вільно. У звичайних умовах кварки «замкнені» всередині складених частинок – адронів (як-от протони і нейтрони) – завдяки явищу конфайнменту (утримання кварків сильними взаємодіями). Але при надзвичайно високих температурах і щільностях ці зв’язки руйнуються, і матерія переходить в нову фазу – кварк-глюонну плазму[8]. Іншими словами, це «розплавлена» форма ядерної матерії, де будівельні блоки атомного ядра існують самі по собі.

Художня візуалізація кварк-глюонної плазми. Ви можете бачити «вільні» кварки (кольорові кульки) та глюони (виглядають як вигнуті лінії), що рухаються хаотично і не зв’язані в протони чи нейтрони. Автор: S13mashina - Власна робота, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=48425025

Термін «плазма» в назві підкреслює аналогію зі звичайною електронно-іонною плазмою. У звичайній плазмі електричні заряди екрануються – взаємодія між зарядженими частинками послаблюється через присутність багатьох інших заряджених частинок. Аналогічно, в кварк-глюонній плазмі екрануються “колірні” заряди кварків і глюонів – сильна взаємодія між ними послаблюється, якщо частинок дуже багато і вони дуже щільно стиснуті. Саме це дозволяє кваркам існувати окремо. На відміну від електромагнітного заряду, колірний заряд підкоряється більш складним (неабелевим) законам квантової хромодинаміки (КХД), тому поведінка кварк-глюонної плазми має свої особливості[8]. Теорія КХД передбачає явище асимптотичної свободи: при надвисоких енергіях (або температурах) кварки майже не «відчувають» одне одного, їх взаємне притягання слабшає. Саме в таких умовах і можлива кварк-глюонна плазма – «вільний режим» існування кварків і глюонів, передбачений КХД[8].

Основні властивості КГП. Це один з найдивовижніших станів матерії, що характеризується екстремальними параметрами. Наведемо кілька цифр:

• Температура: порядка трильйонів градусів. Теорія і розрахунки на ґратках (lattice QCD) показують, що перехід у стан кварк-глюонної плазми відбувається біля температури ~175 МеВ, що відповідає близько 2×10¹² K. Для порівняння, це у ~100 000 разів гарячіше, ніж у центрі Сонця[8]. Експериментально в лабораторії досягнуто температури близько 4 трильйони Кельвінів – це наразі найгарячіша з коли-небудь створених людиною матерій[8][5]. Зокрема, на колайдері RHIC у 2010 році зафіксували ~4×10¹² °C (≈4×10¹² K)у зіткненнях золотих ядер[5]. При такій температурі навіть протони й нейтрони «плавляться» на кварки та глюони.

• Густина: надзвичайно висока – в мільярди разів більша, ніж у звичайній речовині. Оцінки показують, що густина енергії при переході в КГП близька до 1 ГеВ/фм³[8], що відповідає приблизно 10¹⁵ г/см³. Це можна уявити так: щоб досягти такої густини, масу гори потрібно стиснути до об’єму чайної ложки! Іншими словами, кварк-глюонна плазма неймовірно щільна.

• Плинність (в’язкість): кварк-глюонна плазма поводиться як майже ідеальна рідина з надзвичайно малою в’язкістю[8][1]. Це було несподіванкою для науковців: спершу припускали, що КГП буде газоподібною, але експерименти показали, що вона тече радше як рідина з мінімальним тертям[1]. За низькою в’язкістю і легкістю течії цю плазму навіть порівнюють з надплинною рідиною. Фактично вона встановила рекорд найменшої питомої в’язкості серед відомих рідин у природі.

• Час існування: у природних умовах кварк-глюонна плазма існує лічені йоктосекунди (1 йоктосекунда = 10⁻²⁴ с). Розрахунки та спостереження показують, що після утворення ця плазма живе приблизно 10⁻²³–10⁻²² секунди[8][5]. За цей час вона розширюється й охолоджується, знову переходячи у звичайний стан (адрони). В лабораторії ми здатні “зловити” ці миті за допомогою швидкодіючих детекторів, але тривалість настільки мала, що можна сказати: кварк-глюонна плазма – це ефемерний, перехідний стан матерії.

Отже, кварк-глюонна плазма – не твердий стан, не рідина і не газ у класичному розумінні. Це четвертий стан матерії (як іноді її називають, доповнюючи ряд «тверде – рідина – газ – плазма»), хоча коректніше сказати – окремий фазовий стан при екстремальних умовах. Її унікальні характеристики перевіряють межі наших уявлень про матерію і основні закони фізики.

Кварк-глюонна плазма на світанку Всесвіту

Великій вибух і кваркова епоха. За сучасними науковими моделями, у перші частки секунди після Великого вибуху температура Всесвіту була настільки високою, що існувала саме кварк-глюонна плазма[2]. Цей період називають кварковою епохою. Вважається, що приблизно протягом перших 10⁻⁵ секунд після Великого вибуху матерія перебувала у стані КГП[8]. Температура в той час перевищувала трильйон градусів, а густина була колосальною. В цьому «бурхливому супі» кварки та глюони безперервно народжували і знищували один одного, утворюючи на мить найрізноманітніші комбінації частинок і античастинок[2].

У міру розширення Всесвіту плазма швидко охолоджувалася. Приблизно через одну мікросекунду після Великого вибуху температура впала настільки, що кварки почали об’єднуватися у перші протони та нейтрони[4]. Цей процес називають адронізацією. Всесвіт вступив у адронну епоху: з «кваркового супу» конденсувалися звичні нам частинки – адрони, з яких згодом утворилися ядра атомів. Тобто кварк-глюонна плазма – це буквально те, з чого був зроблений Всесвіт на самому початку, доки не виникла звичайна матерія у вигляді атомів.

Історія Всесвіту від Великого Вибуху до сьогодення (в логарифмічному масштабі часу). Приблизно через 10⁻⁶ секунд (мікросекунду) після Великого вибуху гаряча кварк-глюонна плазма остигла достатньо, щоб кварки об’єдналися в перші протони і нейтрони[4]. На ілюстрації цей момент відмічено жовтим кольором. 

Первинний «суп» та його згусання. Можна уявити ранній Всесвіт як пекельно гарячий казан, де замість звичних атомів – вільні кварки та глюони. Цей стан був хаотичним: частинки постійно зіштовхувалися, народжуючи нові й анігілюючи з античастинками. Серед них могли виникати і екзотичні комбінації. Наприклад, теоретично в той ранній час могли коротко існувати так звані X-частинки – нестабільні тетракварки або інші невідомі структури, які сформувалися з кварків перед остаточним «зв’язуванням» у протони[7][2]. Ці частинки практично не збереглися до сьогодення, але сучасні експерименти на колайдерах дозволяють їх створити й вивчити. Зокрема, у 2022 році фізикам вперше вдалося зафіксувати частку типу X(3872) всередині кварк-глюонної плазми, використовуючи зіткнення важких іонів на ВАК та алгоритми машинного навчання[7]. Відкриття таких частинок допомагає глибше зрозуміти, які незвичайні види матерії могли бути присутні на початку Всесвіту.

Після першої мікросекунди, коли Всесвіт охолов до приблизно10¹² K, кварк-глюонна плазма перейшла в газ адронів. Далі вже відбувався нуклеосинтез (утворення ядер легких елементів) на часових проміжках секунд і хвилин, але це тема для іншої історії. Головне – кварк-глюонна плазма була первинним «матеріалом» нашого Всесвіту, і досліджуючи її, ми заглядаємо в умови, що панували на самому світанку космосу.

Цікаво, що кварк-глюонна матерія може існувати не тільки в екстремальному минулому, а й в екстремальному сучасному: є гіпотеза, що у ядрах нейтронних зір – надщільних залишків вибухів наднових – звичайні ядерні частинки під тиском можуть «плавитися» у кваркову матерію. Наймасивніші нейтронні зорі, за розрахунками, цілком ймовірно мають у центрі ядра з деконфінованих кварків – своєрідні «кваркові зорі» всередині нейтронних зір[8][6]. Прямих доказів цього поки немає, але останні аналізи даних (2023–2024 рр.) вказують, що зорі масою понад ~2 маси Сонця з великою ймовірністю містять кваркову фазу в ядрах[6]. Таким чином, кварк-глюонна плазма – це не лише про ранній Всесвіт, але й про надзвичайні об’єкти сучасного космосу.

Як досліджують кварк-глюонну плазму в лабораторії?

Відтворити умови, подібні до раннього Всесвіту, надзвичайно складно. Однак фізики навчилися створювати крихітні об’єми кварк-глюонної плазми за допомогою великих прискорювачів частинок, колайдерів важких іонів. Ідея полягає в тому, щоб розігнати два важкі атомні ядра до релятивістських швидкостей і зіткнути їх лоб в лоб. При цьому енергія зіткнення концентрується в малому об’ємі – утворюється мікроскопічний «вогняний шар» надвисокої температури і густини, в якому на мить «плавиться» звичайна ядерна матерія і виникає кварк-глюонна плазма[4][8].

Перші експерименти. Перші пошуки кварк-глюонної плазми почалися в 1980–90-х роках у CERN на прискорювачі SPS, де розганяли ядра важких елементів. У 2000 році CERN оголосив про отримання ознак нового стану матерії – потенційно кварк-глюонної плазми[8]. Наступним великим кроком став запуск у 2000 році Релятивістського колайдера важких іонів (RHIC, Брукхейвенська національна лабораторія, США). На RHIC зіткнення ядер золота при енергіях сотень ГеВ на нуклон дали змогу створити більш «чисту» кварк-глюонну плазму і детально її дослідити. Вже перші результати шокували науковців: нова матерія повелася як рідина, а не як газ! Зіткнення породжували так званий «ідеальний кварковий рідкий суп»[1]. Зокрема, у експериментах RHIC спостерігали явище струменевого загасання: при зіткненні двох ядер часто утворюється пара реактивних струменів частинок, що розлітаються в протилежні боки. Але в 2003 році детектор STAR на RHIC виявив, що один із двох струменів може зникати, «гаснучи» у щільному середовищі плазми[3][8]. Це означало, що утворена кварк-глюонна плазма настільки густа, що здатна поглинати і розсіювати частинки величезної енергії. Такі результати стали переконливим доказом: у цих зіткненнях дійсно народжується новий стан матерії. За оцінками, температура плазми на RHIC сягала 4×10¹² K (близько 4 трлн °C)[5] – найгарячіша температура у відомому Всесвіті на той момент! Цей рекорд навіть потрапив до Книги Гіннеса.

Один з перших повноенергетичних зіткнень іонів золота, зафіксований детектором STAR на RHIC (Брукхейвен, США)commons.wikimedia.org. Кольорові треки відображають шляхи тисяч частинок, що утворилися в результаті зіткнення, пролітаючи через детектор. За асиметрією треків вчені помітили явище «струменевого загасання» – один з двох протилежно спрямованих струменів частинок зникає, втративши енергію у кварк-глюонній плазмі.

Великий адронний колайдер (ВАК). Нову еру досліджень відкрив запуск ВАК у CERN. Хоча більшу частину часу ВАК працює на протонах (принісши, наприклад, відкриття бозона Гіггса), приблизно раз на рік він переходить у режим зіткнення важких іонів – ядeр свинцю. Важкоіонні зіткнення на ВАК дозволяють отримати ще гарячішу і довговічнішу кварк-глюонну плазму завдяки значно вищій енергії, ніж на RHIC[4]. Перші ж запуски важких іонів у 2010 році призвели до нових рекордів: за оцінками, температура плазми сягнула ~5×10¹² K (понад 5 трильйонів градусів) – це вже ~300 000 разів гарячіше, ніж ядро Сонця. ВАК не лише побив температурний рекорд, а й надав плазмі більший об’єм і час життя (десятки йоктосекунд), що дало змогу точніше виміряти її характеристики[3].

На ВАК працюють одразу кілька детекторів, що вивчають кварк-глюонну плазму. Спеціально для цього створено експеримент ALICE (A Large Ion Collider Experiment) – він оптимізований під реєстрацію тисяч частинок, що вилітають із зони зіткнення важких ядер[8]. Також плазму досліджують універсальні детектори ATLAS і CMS під час спеціальних серій іонних зіткнень. У 2015 році детектори ВАК підтвердили явище струменевого загасання на ще вищих енергіях, детально вимірявши, скільки енергії втрачають швидкі частинки, пролітаючи крізь кварк-глюонну плазму[4]. Це дозволило глибше проникнути в структуру «кваркового супу». Крім того, завдяки величезній кількості частинок, що народжуються на ВАК, дослідники змогли виявити нові ефекти – наприклад, залежність потоків частинок від їхньої маси і типу, появу дивних частинок, корельовані флуктуації тощо. Особливо вражаючим стало вже згадане відкриття X-частинок – їх виявила команда на детекторі CMS, проаналізувавши понад 13 мільярдів зіткнень іонів[2]. Це перший випадок реєстрації екзотичних тетракварків у плазмі, що відкриває шлях до вивчення їхньої структури[7].

Експеримент ALICE в ЦЕРН, який проводить дослідження кварк-глюонної плазми. Автор: Johannes Vogel - Власна робота, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=28788099

Як «побачити» невидиму плазму? Варто зазначити, що саму кварк-глюонну плазму детектори безпосередньо не реєструють – вона занадто швидко переходить в інші частинки. Натомість вчені вивчають експериментальні сигнатури, які плазма залишає по собі[4]. До них належать: спектри і кореляції утворених частинок, феномен струменевого загасання (про який говорилося вище), розподіли частинок з важких кварків (b-, c-кварків), випромінювання фотонів і лептонів з плазми тощо. Наприклад, вимірюючи енергії і кути розльоту тисяч частинок, фізики можуть відновити в’язкість і температуру плазми. Одним з важливих параметрів є так званий параметр витрати – еліптичний потік: частинки не рівномірно розлітаються в усіх напрямках, а трохи переважно в площині зіткнення. Це свідчить, що плазма поводиться як рідина, що розтікається – такий собі «рідкий вибух». Іншим ключовим спостереженням стало пригнічення утворення J/ψ -мезонів (частинок з чарівних кварків) у важкоіонних зіткненнях: гаряча плазма «розчиняє» зв’язані кварки, не даючи їм сформувати J/ψ. Цей ефект був передбачений теоретично і підтверджений експериментально, ставши ще одним доказом виникнення КГП. Таким чином, хоча ми не можемо глянути всередину плазми напряму, її присутність і властивості проявляються через вплив на продукти розпаду – подібно до того, як властивості зниклого матеріалу можна вивчати за уламками, що від нього лишилися.

Нині дослідження кварк-глюонної плазми тривають у кількох наукових центрах. Окрім CERN та BNL, плануються нові установки – наприклад, експеримент CBM на прискорювачі FAIR у Німеччині та проект NICA в Об’єднаному інституті ядерних досліджень[8]. Вони дозволять вивчати плазму за інших умов – при більшій баріонній густині, нижчих енергіях, доповнюючи картину фазової діаграми КХД. Кварк-глюонна плазма залишається одним з найгарячіших напрямків сучасної фізики високих енергій – у прямому і переносному сенсі.

Теорія на службі експерименту: квантова хромодинаміка та моделювання КГП

Основа розуміння кварк-глюонної плазми – квантова хромодинаміка (КХД), сучасна теорія сильних взаємодій. В її рамках кварки мають особливий «колірний» заряд, а глюони переносять силу, що зв’язує кварки. КХД успішно пояснює структуру адронів і багато явищ ядерної фізики. Проте в режимі екстремальних температур вона є надзвичайно складною для розрахунків – звичайні методи (теорія збурень), які працюють для електромагнетизму, тут непридатні. Тому для передбачення властивостей кварк-глюонної плазми на допомогу приходять комп’ютерні моделювання на ґратках (lattice QCD). Ці обчислення дозволили, наприклад, передбачити критичну температуру переходу ~170–180 МеВ (близько 2×10¹² К) ще до прямих експериментів. Згодом моделі на ґратках передбачили Equation of State (рівняння стану) КГП – зв’язок між тиском і енергією плазми – і показали, що перехід має характер плавного перетворення (кросовера) за нульового баріонного хімпотенціалу (як в умовах раннього Всесвіту)[8]. Ці результати були підтверджені експериментально.

Одне з актуальних теоретичних завдань – врахування впливу в’язкості та теплопровідності плазми. Розрахунки на основі КХД та навіть методи на основі теорії струн (через відповідність АдіС/ККТ) вказують, що кварк-глюонна плазма має надзвичайно мале відношення η/s (в’язкість до ентропії), дуже близьке до квантової межі для ідеальної рідини[8]. Це узгоджується з експериментами. Таким чином, КГП стала полігоном для перевірки фундаментальних фізичних ідей: від нелінійної динаміки полів до гіпотез об’єднання взаємодій.

Цікавим теоретичним припущенням є існування проміжного стану між адронами і кварк-глюонною плазмою – так званої глазми (від gluon plasma і glass – «скло»)[8]. Ідея в тому, що при дуже високій енергії густі кварково-глюонні поля можуть утворювати конденсат, подібний до аморфного стану, перш ніж перейти у «вільну» плазму. Ця гіпотеза поки не підтверджена остаточно, але досліджується теоретично для пояснення деяких тонких ефектів у зіткненнях ядер (особливо при високій густині налету).

Отже, теорія і експеримент йдуть пліч-о-пліч. Кварк-глюонна плазма, передбачена теорією КХД, тепер є експериментально підтвердженим фактом[8][5]. Її вивчення збагачує і саму теорію: щораз точніші вимірювання з ВАК змушують теоретиків удосконалювати моделі взаємодії кварків при високих енергіях[4]. Нерозв’язаними лишаються, наприклад, питання про поведінку плазми при дуже великій баріонній густині (чи відбудеться там справжній фазовий перехід першого порядку і критична точка?) – це мотивує нові експерименти на зразок NICA та роботу із зоряними спостереженнями нейтронних зір.

Чому це важливо: уроки плазми для Всесвіту і не тільки

Дослідження кварк-глюонної плазми має значення відразу в кількох вимірах – від космології до чисто прикладної фізики частинок. По-перше, це вікно в ранній Всесвіт. Відтворюючи умови перших мікросекунд після Великого вибуху, ми можемо перевірити, чи правильно наше розуміння еволюції Всесвіту. Моделюючи, як плазма остигала і конденсувалася в адрони, фізики відтворюють главу історії космосу, яку неможливо побачити телескопами. За словами спікера експерименту ALICE Л. Музи, дані ВАК стануть «ілюстраціями в підручнику» з теорії сильних взаємодій для цього розділу раннього Всесвіту[4]. Зокрема, аналіз поведінки плазми допомагає зрозуміти, як відбувся перехід від хаотичного стану до формування перших протонів і нейтронів[5], а отже, чому сьогодні Всесвіт складається саме з тих частинок, що ми спостерігаємо.

По-друге, кварк-глюонна плазма проливає світло на фундаментальні закони природи. Стандартна Модель фізики елементарних частинок містить три типи взаємодій – електромагнітну, слабку і сильну. Перші дві теорії прекрасно перевірені експериментально з високою точністю, а от квантова хромодинаміка в режимі високотемпературної плазми була останнім непідкореним рубежем. Тепер, коли КГП отримано і вивчено, ми значно впевненіше можемо стверджувати, що розуміємо поведінку сильних взаємодій у широкому діапазоні умов. Це критично важливо і для астрофізики (як ми бачили на прикладі нейтронних зір), і для пошуку нової фізики за межами Стандартної Моделі. Деякі сценарії великого об’єднання передбачають, що всі фундаментальні сили зливаються при надвисоких температурах[8]. Вивчення плазми при енергіях в кілька Тераелектронвольт дає експериментальні дані, які можна екстраполювати та перевіряти гіпотези щодо таких об’єднань.

По-третє, це відкриває двері до відкриття нових форм матерії. Вже зараз у кварк-глюонній плазмі відкрито кілька нових частинок (тетракварки, гіпер’ядерні утворення тощо). У планах експериментів – пошук і дослідження таких об’єктів, як пентакварки, бозонні молекули з адронів та інших екзотичних станів, які у звичайних умовах не існують, але можуть народжуватися у вогненному горнилі плазми[7]. Таким чином, вивчаючи КГП, фізики фактично розширюють таблицю елементарних частинок і збагачують нас знаннями про можливі конфігурації матерії.

Нарешті, технологічні й методологічні аспекти. Проекти на кшталт Великого адронного колайдера штовхають уперед інженерію, ІТ та обчислювальні технології. Для аналізу результатів зіткнень і реконструкції подій у плазмі доводиться застосовувати найсучасніші методи обробки великих даних, нейромережі (як у випадку з пошуком X-частинок) та розробляти нові алгоритми. Ці напрацювання знаходять застосування і поза фізикою – від медицини (наприклад, обробка зображень) до промисловості. Іншими словами, дослідження кварк-глюонної плазми тренують наші наукові «м’язи», сприяючи прогресу в суміжних сферах.

Підсумовуючи, кварк-глюонна плазма – це унікальна «машина часу», яка переносить нас у самий ранок Всесвіту. Вона демонструє, що матерія за екстремальних умов набуває надзвичайних властивостей: тече без тертя, нагрівається до неймовірних температур, а частинки в ній перестають бути тими, до яких ми звикли. Її дослідження – яскравий приклад синергії теорії і експерименту: ще кілька десятиліть тому КГП була лише теоретичним концептом, а сьогодні це експериментально підтверджений стан матерії, що поглиблює наше розуміння природи[5]. Вивчаючи кварк-глюонну плазму, людство фактично відтворює у лабораторії часточку Великого вибуху та читає первинний «код» матерії, закодований у властивостях цього дивовижного космічного супу. Це захоплива наукова подорож, яка триває – і хто знає, які ще відкриття чекатимуть нас у надрах кварк-глюонної плазми в майбутньому.

Список використаних джерел:

1. Imster E. LHC creates liquid from Big Bang // EarthSky (Human World). – 15 вересня 2015. – Режим доступу: earthsky.org

2. Chu J. Scientists make first detection of exotic “X” particles in quark-gluon plasma // MIT News. – 21 січня 2022. – Режим доступу: news.mit.edu

3. Heavy ions and quark–gluon plasma – CERN Physics Web Portal // home.cern – Режим доступу: https://home.cern/science/physics/heavy-ions-and-quark-gluon-plasma home.cern

4. Lopes A. Recreating Big Bang matter on Earth // CERN News (LHC Physics at Ten series). – 13 листопада 2020. – Режим доступу: https://home.cern/news/series/lhc-physics-ten/recreating-big-bang-matter-earth )home.cern

5. APS News. RHIC Sets Temperature Record // APS News (American Physical Society). – March 2010. – Vol.19, No.3. – Режим доступу: aps.org

6. Koberlein B. The most massive neutron stars probably have cores of quark matter // Universe Today – 06.01.2024 (перекладено на Phys.org). – Режим доступу:  phys.org

7. Вперше в історії: фізики виявили екзотичні Х-частинки у кварк-глюонній плазмі – чому це важливо // Техно 24 (Новини технологій). – 25.01.2022. – Режим доступу: https://24tv.ua/tech/vpershe-istoriyi-fiziki-viyavili-ekzotichni-novini-tehnologiy_n1850163 (дата звернення: 10.06.2025)24tv.ua

8. Кварк-глюонна плазма – стаття в українській Вікіпедії. – Режим доступу: uk.wikipedia.org