Что было сразу после Большого Взрыва? Новый метод позволяет «увидеть» первую микросекунду Вселенной

Представьте себе Вселенную всего через мгновение после её рождения. Невообразимо горячая, плотнее всего, что мы можем себе вообразить. В этом первичном котле ещё не существовало привычных нам атомов, протонов или нейтронов. Вместо них царил экзотический «суп» из фундаментальных частиц — свободных кварков и глюонов. Физики называют это состояние кварк-глюонной плазмой (КГП). Звучит как научная фантастика? Отнюдь. Это реальное состояние материи, из которого, как считается, сконденсировалось всё, что нас окружает сегодня, по мере остывания и расширения юной Вселенной примерно 13,8 миллиарда лет назад.

Но как заглянуть так далеко в прошлое? Как изучить то, что существовало лишь в первую миллионную долю секунды? Ответ кроется в современных ускорителях частиц.

Миниатюрные Большие взрывы в лаборатории

Ученые научились воссоздавать условия, очень похожие на те, что царили в ранней Вселенной, сталкивая тяжелые атомные ядра (например, золота или свинца) на околосветовых скоростях. В этих колоссальных столкновениях на крошечные доли секунды возникает область экстремальных температур и плотностей, где протоны и нейтроны «плавятся», освобождая свои составные части — те самые кварки и глюоны. Рождается капелька КГП.

Проблема в том, что эта плазма существует ничтожно малое время, прежде чем остыть и снова «застыть» в обычные частицы (адроны, к которым относятся и протоны с нейтронами). Мы не можем «увидеть» саму КГП напрямую. Вместо этого физики действуют как детективы на месте происшествия: они изучают «осколки» — частицы, родившиеся при распаде этой плазмы.

Загадочные «отпечатки»: В поисках надежного свидетеля

Изучение этих конечных частиц — задача не из легких. Их рождается огромное множество, и понять, какие из них несут достоверную информацию именно об этапе КГП, — настоящий вызов. Представьте, что вы пытаетесь реконструировать взрыв, анализируя лишь разлетевшиеся во все стороны обломки. Нужен какой-то особенно надежный «свидетель».

И вот здесь на сцену выходят исследователи из Института современной физики Китайской академии наук. Они предложили новый, более тонкий подход. Вместо того чтобы просто считать количество тех или иных частиц, они сосредоточились на их соотношениях. Их работа, опубликованная в престижном журнале Physics Letters B, предлагает взглянуть на «отпечатки пальцев» частиц под новым углом.

В чем же суть открытия?

Китайские физики использовали мощные компьютерные симуляции, чтобы смоделировать столкновения различных тяжелых ионов — от относительно легкого кальция до тяжелого золота. Они пристально следили за тем, сколько рождается частиц четырех определенных типов: Лямбда-гиперонов (Λ), Ка-плюс-мезонов (K⁺), пи-мезонов (π) и всем известных протонов (p).

И вот что они заметили: когда моделировались столкновения, приводящие к образованию КГП, соотношения между количеством рожденных частиц разных типов вели себя не так, как предсказывали модели, не учитывающие образование этой экзотической плазмы. Особенно показательным оказалось сравнение столкновений легких и тяжелых ядер.

Позвольте объяснить проще. Оказывается, сам факт существования «свободного супа» из кварков и глюонов меняет правила игры для частиц, которые потом из него образуются. В КГП кварки и глюоны перемещаются относительно свободно, и это подавляет некоторые типы взаимодействий (многократные рассеяния), которые были бы обычным делом в «холодной» ядерной материи. В результате, если КГП образовалась, выход определенных комбинаций частиц оказывается ниже, чем можно было бы ожидать без нее. Если же КГП не образуется, то обычные взаимодействия между адронами, наоборот, приводят к увеличению выхода этих частиц.

Именно это аномальное изменение в соотношениях выхода частиц (например, отношение числа Лямбда-гиперонов к числу протонов, или К-мезонов к пи-мезонам) при переходе от легких систем столкновений к тяжелым и служит тем самым надежным индикатором, или «отпечатком пальца», указывающим: да, здесь была кварк-глюонная плазма!

Почему это важно? Точнее и надежнее

Новый метод, предложенный исследователями, — это не просто еще один способ взглянуть на данные. Он имеет важные практические преимущества. Дело в том, что при измерении абсолютного количества частиц всегда есть риск систематических ошибок, связанных с работой детекторов или несовершенством теоретических моделей. Использование же соотношений позволяет многие из этих неопределенностей взаимно скомпенсировать. Сравнивая результаты для разных сталкивающихся ядер (легких и тяжелых), ученые получают еще более надежный сигнал. Это как если бы вы пытались понять, идет ли дождь, не просто глядя на лужи (их размер может зависеть от рельефа), а сравнивая влажность воздуха сейчас и час назад.

Окно в прошлое и будущее физики

Так зачем все эти сложности? Изучение КГП — это не просто удовлетворение научного любопытства. Это ключ к пониманию самых фундаментальных законов природы, описываемых квантовой хромодинамикой (КХД) — теорией сильного взаимодействия, которое удерживает кварки внутри протонов и нейтронов и связывает сами протоны и нейтроны в ядрах. Понимание того, как материя ведет себя при экстремальных температурах и плотностях, помогает ученым составить полную «карту состояний» ядерной материи (так называемую фазовую диаграмму КХД).

Более того, каждый шаг в понимании свойств КГП, воссозданной в лаборатории, приближает нас к пониманию того, как развивалась наша Вселенная в первые мгновения своего существования. Новый метод анализа «отпечатков частиц» — это еще один, более точный инструмент в руках ученых, позволяющий читать захватывающую историю рождения нашего мира, записанную на языке фундаментальных частиц. Это напоминание о том, что тайны Вселенной часто скрываются не в грандиозных явлениях, а в тонких соотношениях и едва заметных аномалиях, которые ждут своего внимательного наблюдателя.