Моделирование Большого взрыва показало, что Вселенная была похожа на суп

Фото из открытых источников

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой «суп» из невероятно плотной плазмы с температурой в триллионы градусов. В ходе прорывного эксперимента исследователи обнаружили первые доказательства того, что эта экзотическая первобытная масса действительно плескалась и закручивалась, как суп. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physics Letters B.

Если говорить более научным языком, эта вязкая масса называется кварк-глюонной плазмой, или КГП. Это была первая и самая горячая жидкость, когда-либо существовавшая. Предсказания показывают, что она горела в миллиард раз горячее поверхности Солнца в течение нескольких миллионных долей секунды, прежде чем расширилась, остыла и слилась в атомы.

Как подробно описано в недавнем исследовании, группа физиков из Массачусетского технологического института и ЦЕРН воссоздала столкновения тяжелых ионов, подобные тем, которые привели к образованию кварк-глюонной плазмы, чтобы изучить ее свойства. Например, когда кварк движется сквозь плазму, он отскакивает и разлетается, как сплошная жидкость, или же рассеивается случайным образом, как совокупность частиц?

Чтобы это выяснить, исследователи проанализировали данные о столкновениях частиц свинца, сталкивающихся друг с другом со скоростью, близкой к скорости света, внутри Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе. Такие столкновения порождают потоки энергичных частиц, таких как кварки, а также каплю кварк-глюонной плазмы, которая пронизывала молодую Вселенную.

Используя уникальную стратегию, которая позволила получить более четкое представление о столкновениях тяжелых ионов, чем в предыдущих экспериментах, физики отследили движение кварков в кварк-глюонной плазме и определили энергию кварк-глюонной плазмы после этих столкновений.

«Теперь мы видим, что плазма невероятно плотная, настолько, что способна замедлять кварк и создавать брызги и вихри, как жидкость. Таким образом, кварк-глюонная плазма действительно представляет собой первобытный бульон», — говорит физик Йен-Джи Ли из Массачусетского технологического института.

Кварки, проносящиеся сквозь кварк-глюонную плазму, передают часть своей энергии плазме, теряя скорость и создавая кильватерный след, подобный следу от быстроходного катера.

«По аналогии, когда лодка движется по озеру, кильватерный след — это вода позади лодки, которая движется в направлении её движения. Лодка передаёт импульс некоторой области воды, которая «следует» за ней», — объясняет физик из Массачусетского технологического института Кришна Раджагопал, разработавший модель, предсказывающую свойства жидкости в кварк-глюонной плазме.

Но вместо того, чтобы наблюдать чистый след, как это бывает в воде, исследователям пришлось догадываться о его хаотичном характере в каплях QGP.

Для этого требуется просеять десятки тысяч активно взаимодействующих частиц в плазме температурой в триллион градусов, которая обычно существует внутри БАК в течение одной квадриллионной доли секунды, чтобы обнаружить относительно небольшое количество частиц, вытесненных следом от вихря.

Это непросто. Когда кварки образуются в столкновениях на Большом адронном коллайдере, они никогда не существуют поодиночке, объяснил Раджагопал. Обычно они образуются вместе с антикварками — частицами-аналогами, идентичными по форме, но имеющими противоположный заряд. Кварк и его антикварк разлетаются в противоположных направлениях с одинаковой скоростью, создавая за собой след и усложняя обнаружение.

Таким образом, вместо поиска пар кварк-антикварк, как это делалось в предыдущих экспериментах, физики искали другую пару частиц. Иногда столкновения на БАК приводят к образованию кварка и Z- бозона — нейтральной элементарной частицы, которая не создает следа, поскольку не взаимодействует с кварк-глюонной плазмой.

Однако такие события редки. Из 13 миллиардов столкновений в Большом адронном коллайдере, проанализированных в исследовании, только около 2000 привели к образованию Z-бозона. Но благодаря отсутствию взаимодействия Z-бозона с кварк-глюонной плазмой, исследователи наконец смогли проанализировать след, создаваемый одним быстро движущимся кварком. Как и предсказывала модель Раджагопала, кварк-глюонная плазма реагировала как жидкость, плескаясь и закручиваясь в следе за кварком.

Раджагопал пояснил, что это «однозначное, неопровержимое доказательство» жидкоподобного поведения QCP, но давний спор о том, течет ли и рябит ли QGP подобно жидкости, возможно, еще не разрешен. Другие исследователи, безусловно, тщательно изучат результаты.

Тем не менее, эта новая методика предлагает основу для исследования аналогичных процессов в других типах высокоэнергетических столкновений, что может пролить свет на одно из самых загадочных веществ в истории Вселенной.

«Во многих других областях науки изучение свойств материала происходит путем его определенного воздействия и измерения того, как это воздействие распространяется и рассеивается», — сказал Раджагопал.

И в этом отчасти заключается прелесть физики – если вы не уверены, как что-то работает, просто разбейте это со скоростью, близкой к скорости света.