Кварк-глюонна плазма - це такий стан сильно взаємодіє ядерної матерії, в якій окремі протони і нейтрони немов розчиняються один в одному, і складові їх кварки починають вільно гуляти по обсягу. Цей стан ядерного речовини може виникати при досить високому тиску і температурі (приблизно 2 трлн градусів, що в енергетичних одиницях відповідає енергії 200 МеВ). В такому стані перебувала Всесвіт через мікросекунди після Великого вибуху, і приблизно такий же стан може до цих пір існувати в самому центрі деяких нейтронних зірок. Крім того, теорія сильно взаємодіє матерії пророкує, що кварк-глюонна плазма повинна вести себе як рідина, а не газ. Її положення на діаграмі «тиск-температура» і детальний опис її властивостей - це своєрідний виклик сучасній теорії сильних взаємодій. Тому експериментальне її вивчення дозволить не тільки «заглянути» в ранній Всесвіт або вглиб нейтронних зірок, але і краще зрозуміти, як взагалі влаштовано сильна взаємодія, в тому числі і всередині звичайних ядер.
Треба сказати, що, незважаючи на численні експерименти, довгий час не вдавалося чітко довести, що кварк-глюонна плазма дійсно виникає в ядерних зіткненнях, нехай і на коротку мить в десятки йоктосекунд. Проблема тут в тому, що, моментально розширивши і охолонувши, кварк-глюонна плазма розпадається на окремі адрони. Вони розлітаються в усі сторони, детектор їх реєструє і відновлює загальну картину розльоту, але він нездатний просто так визначити, народилися вони відразу у вигляді адронного газу або ж пройшли через стадію гарячої рідини.
Пізнати формування кварк-глюонної плазми можна різними способами. Перш за все, всередині гарячої ядерної «крапельки» повинні бути справжні гідродинамічні течії. Після розпаду плазми на адрони, вони повинні проявитися у вигляді адронних еліптичних потоків і потоків більш складної форми (рис. 1 і 2). Існують і більш тонкі ефекти, наприклад гасіння струменів. коли вони намагаються продертися крізь кварк-глюонну плазму, і плавлення адронів всередині гарячої плазми.
Якщо при ударі кожного нуклона великої енергії по ядру дійсно утворюється канал кварк-глюонної плазми, то зона плавлення матиме вигляд, як на рис. 3. А це означає, що при переході від протона до дейтроні різко збільшиться еліптичний потік, а при переході до гелію-3 - «трикутний». На рис. 1 показані результати теоретичного моделювання того, як повинна розширюватися поточна кварк-глюонна плазма і які швидкості придбають адрони після її розпаду. Обчислення показали, що такий трикутний потік повинен проявитися навіть незважаючи на те, що йому при розширенні доведеться продиратися крізь нерасплавівшіеся частина ядра. Якщо ж кореляції не пов'язані з утворенням кварк-глюонної плазми, а виникають, наприклад, через особливого стану ядер до зіткнення (скажімо, як в моделі плазми), то такої сильної закономірності спостерігатися не повинно.
На рис. 4 показані результати по вимірюванню еліптичного і трикутного потоків в зіткненнях 3 He + Au. Їх інтенсивність характеризується коефіцієнтами v2 і v3. У згоді з прогнозами різноманітних моделей, що враховують гідродинамічні течії при утворенні і розльоті кварк-глюонної плазми, обидва цих коефіцієнта ростуть з поперечним імпульсом адронів. Між самими цими моделями є деякі відмінності, але вони все, за винятком однієї, коректно відтворюють тренд. Спроби описати ці дані без урахування кварк-глюонної плазми дали б набагато менші значення для трикутного потоку.
Мал. 4. Величини v2 і v3. описують еліптичний і трикутний потоки адронів в центральних 3 He + Au зіткненнях, в залежності від поперечного імпульсу адронів. Кольорові криві і смуги показують передбачення різних моделей; всі вони враховують освіту і розширення кварк-глюонної плазми. Зображення з обговорюваної статті в PRL
Отримане згоду є сильним вказівкою на те, що в той момент, коли зустрічний нуклон - не важливо, один або в складі зустрічного ядра, - встромляє в ядро на великий енергії, він плавить ядерну матерію в місці попадання. На мить там утворюється крихітна крапелька кварк-глюонної плазми. Якщо зустрічне ядро було велике, то всі ці краплі зливаються і призводять до плавлення ядер цілком - це саме те, що спостерігалося раніше. Але навіть якщо ядро маленьке, як у випадку гелію-3, локальне плавлення все одно відбувається, просто крапля кварк-глюонної плазми залишається крихітної, суб'ядерних масштабів. Таким чином і без того складна багатоетапна картина зіткнень релятивістських ядер доповнюється ще однією подробицею.