Ученые создали «мини-Большой взрыв» и воспроизвели первые мгновения Вселенной

Фото из открытых источников

Исследователям из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете удалось воспроизвести в лабораторных условиях состояние материи, которое заполняло космос в течение первой миллионной доли секунды после Большого взрыва, используя столкновения атомных ядер, гораздо более легких, чем считалось ранее возможным.

Этот прорыв, который сами ученые описывают как своего рода мини-Большой взрыв, открывает беспрецедентный путь для изучения как внутренней структуры ядер, так и ранней эволюции Вселенной — двух областей, которые, как показывают результаты, более тесно взаимосвязаны, чем предполагала традиционная физика.

Эксперимент проводился в рамках международной коллаборации ALICE, одного из основных детекторов ускорителя частиц LHC в ЦЕРНе, Швейцария. Там физики годами пытались воссоздать экстремальные условия, существовавшие в самые ранние моменты существования космоса.

Для этого они сталкиваются с атомными ядрами со скоростями, близкими к скорости света, генерируя крошечные капли кварковой и глюонной плазмы — первобытный бульон, в котором до появления протонов и нейтронов основные составляющие материи свободно двигались в сверхгорячем и плотном состоянии. Считается, что эта плазма была первой формой материи во Вселенной, и её изучение имеет ключевое значение для понимания того, как впоследствии возникли частицы, которые сегодня образуют звезды, планеты и живые существа.

До сих пор в этой области считалось, что для достижения этого перехода необходимо использовать очень тяжелые ядра, такие как свинец, столкновение которых концентрирует достаточно энергии, чтобы расплавить ядерное вещество и перевести его в квазижидкое состояние.

Однако группа исследователей под руководством Ю Чжоу из Институте Нильса Бора продемонстрировала, что ту же цель можно достичь с гораздо меньшими снарядами: изотопами кислорода-16 и неона-20. При их столкновении исследователи наблюдали, что образовавшийся крошечный пузырь плазмы вел себя точно так же, как и пузырь, образующийся при столкновении с более крупными ядрами, что существенно расширяет диапазон экспериментальных систем, доступных для исследования первобытной Вселенной.

«В этой работе мы раздвинули границы того, насколько малыми могут быть атомные ядра, и при этом смогли воссоздать эту первобытную материю», — объясняет Ю Чжоу. «Теперь мы лучше понимаем фундаментальные условия, которым должна соответствовать материя, чтобы перейти в это экстремальное состояние. Мы надеемся, что это поможет нам понять, как плазма вела себя в первые мгновения существования Вселенной и как она в конечном итоге эволюционировала в те формы материи, которые нас окружают».

Ключ к открытию, опубликованному в журнале Physical Review Letters, заключается не только в получении плазмы, но и в информации, которую её расширение и последующий распад раскрывают о геометрии столкнувшихся ядер. Исследователи не могут наблюдать плазму непосредственно, поскольку её жизнь чрезвычайно коротка, но они могут измерить след частиц, в которые она превращается по мере охлаждения.

И тут возникает неожиданный эффект: траектория движения этих частиц точно отражает форму исходного ядра. При столкновении двух ядер кислорода, имеющих приблизительно сферическую форму, результирующая траектория оказывается округлой. Но при использовании неона, ядерная структура которого принимает вытянутую и асимметричную конфигурацию, подобную кегли, карта частиц растягивается и приобретает тот же характерный силуэт.

Это явление предоставляет физикам новый инструмент для изучения формы атомных ядер — вопрос, который занимает научное сообщество уже более семи десятилетий и имеет глубокие корни в самом Институте Нильса Бора, где Ааге Бор получил Нобелевскую премию по физике в 1975 году именно за свои работы по структуре ядра.

Соавтор исследования Эмиль Горм Дальбек Нильсен использует оптическую аналогию, чтобы сделать это понятным: это как если бы мы осветили объект и увидели его тень. Вы не можете увидеть объект напрямую, но его тень раскрывает его форму. Точно так же движение частиц раскрывает геометрическую форму атомных ядер, которые присутствовали в начале столкновения.

Традиционно изучение ядерной структуры осуществлялось путем наблюдений при низких энергиях, анализа вращений и колебаний ядер. Новый подход, напротив, позволяет получить ту же информацию в режиме чрезвычайно высоких энергий, где доминирует сильное взаимодействие — одна из четырех фундаментальных сил природы.

Авторы работы подчеркивают, что этот метод может представлять собой сдвиг парадигмы, поскольку он позволит изучать ядра, структура которых до сих пор плохо изучена, без использования традиционных методов. «Вместо того чтобы тщательно исследовать ядра при низких энергиях, мы заставляем их сталкиваться при максимально возможных энергиях, и теперь мы можем считывать их форму по отпечатку, который они оставляют», — добавляет Ю Чжоу.

Публикация результатов также совпадает с моментом, когда коллаборация ALICE накапливает данные из множества систем столкновений, и исследователи уже рассматривают следующий шаг: повторение эксперимента с еще более легкими ядрами, такими как гелий-4, чтобы определить точный предел, за которым кварк-глюонная плазма перестает образовываться. Знание этой границы не только уточнит теоретические модели квантовой хромодинамики, но и позволит точно воссоздать физические условия, которые управляли Вселенной, когда ей было всего лишь миллионная доля секунды.

В своих выводах ученые подчеркивают двойственный характер своего открытия: с одной стороны, возможность исследовать структуру ядра посредством ультрарелятивистских столкновений, а с другой — возможность использовать эти же столкновения в качестве лаборатории для изучения раннего космоса.

«Удивительно, что мы можем использовать один и тот же эксперимент как для изучения структуры атомных ядер, так и для лучшего понимания того, что происходило во время рождения Вселенной», — сказал Ю Чжоу. «И оказывается, что эти два явления гораздо больше связаны, чем можно было бы предположить на первый взгляд».