Что происходит после остывания «первичного бульона»? Учёные воссоздали первые мгновения Вселенной и обнаружили то, что упускали десятилетиями
Представьте себе Вселенную, которой всего несколько микросекунд от роду. Это не холодная и тёмная пустота, которую мы знаем сегодня. Это кипящий, невообразимо плотный котёл энергии, где температура в тысячи раз выше, чем в ядре Солнца. В этом «первичном бульоне» ещё не существует привычных нам атомов, протонов или нейтронов. Есть лишь суп из фундаментальных частиц — кварков и глюонов.
Как заглянуть в это далёкое прошлое? Увы, машины времени у нас нет. Но есть кое-что получше: самые мощные в мире ускорители частиц. И недавно международная группа физиков, проанализировав данные с этих установок, сделала важный шаг к пониманию того, что же происходило в те самые первые мгновения. Оказалось, мы упускали из виду важную часть истории.
Машина времени в Швейцарии и США
Чтобы воссоздать условия ранней Вселенной, учёные на Большом адронном коллайдере (БАК) в Швейцарии и Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) в США делают нечто поразительное. Они разгоняют ядра тяжёлых атомов, например золота или свинца, почти до скорости света и сталкивают их лбами. Этот колоссальный удар на крошечный миг порождает ту самую кварк-глюонную плазму (КГП) — состояние материи, из которого состояла наша Вселенная сразу после Большого взрыва.
Эта плазма существует ничтожно малое время, после чего, остывая, превращается в то, что физики называют адронной материей. Именно из неё уже «собираются» знакомые нам протоны и нейтроны. Долгое время основное внимание исследователей было приковано именно к экзотической и сверхгорячей КГП. Но, как подчёркивается в новой работе, опубликованной в Physics Reports, настоящие ключи к загадке могут скрываться в том, что происходит после.
А что потом? А потом начинается самый интересный детектив.
Тяжёлые агенты в супе из кварков
В момент столкновения ядер рождается целый зоопарк частиц. Большинство из них лёгкие и быстрые. Но есть среди них и настоящие тяжеловесы — адроны, содержащие так называемые «очарованные» (charm) и «прелестные» (bottom) кварки. Эти частицы, известные как D- и B-мезоны, — наши главные «шпионы».
Почему именно они? Всё дело в массе.
Представьте, что вы бросили в оживлённый бассейн, полный людей, лёгкий надувной мячик и тяжёлый шар для боулинга. Мячик отлетит от первого же пловца в непредсказуемом направлении. А вот шар для боулинга, благодаря своей инерции, будет двигаться медленнее, но увереннее. Каждое его столкновение с пловцами будет незначительно менять его траекторию, но, отследив весь его путь, вы сможете многое узнать о том, как много людей в бассейне и как активно они двигаются.
Тяжёлые частицы — это и есть такие «шары для боулинга». Они рождаются в самом начале, в огне столкновения, и затем пролетают сквозь всю эволюционирующую материю: сначала через кварк-глюонную плазму, а затем через остывающую адронную фазу. Их путь — это бесценная запись о свойствах среды, через которую они прошли.
Забытый акт драмы: что происходит после остывания?
И вот тут-то и кроется суть нового исследования. Физики Хуан Торрес-Ринкон, Сантош Дас и Ральф Рапп утверждают: мы слишком долго концентрировались на первой, самой горячей фазе пути наших «шпионов». Мы внимательно следили за тем, как «шар для боулинга» летит сквозь бурлящую воду сразу после броска, но почти не обращали внимания на то, как он продолжает сталкиваться с людьми, когда большие волны уже улеглись.
Оказалось, что адронная фаза — когда КГП уже остыла, но материя всё ещё невероятно горячая и плотная — играет огромную роль. Взаимодействия тяжёлых частиц с протонами, нейтронами и другими адронами в этой «остывающей» среде продолжают влиять на их энергию и направление движения.
Игнорировать этот этап — всё равно что читать детектив, пропустив последнюю главу, где сыщик объясняет все улики и называет имя преступника. Картина получается неполной и, что хуже всего, может привести к неверным выводам.
От теории к точности: зачем это нужно?
Казалось бы, какая разница, где именно частица потеряла часть своей энергии? Для фундаментальной науки — колоссальная. Современные эксперименты на БАК и RHIC поставляют данные невероятной точности. Чтобы их правильно интерпретировать, нужны столь же точные теоретические модели.
Если модель учитывает взаимодействие тяжёлых частиц только с кварк-глюонной плазмой, а дальнейшую их «жизнь» в адронной материи игнорирует, то расчёты будут расходиться с реальностью. Учёные могут неверно оценить вязкость или плотность первичной плазмы, приписав ей эффекты, которые на самом деле возникли гораздо позже. Новая работа призывает исправить этот пробел и включить взаимодействия в адронной фазе во все симуляции. Только так мы сможем составить по-настоящему точную карту свойств самой ранней Вселенной.
Эта работа — прекрасный пример того, как устроена наука. Это не череда громких открытий, а кропотливый процесс уточнения, где каждая, казалось бы, мелкая деталь может кардинально изменить общую картину. Понимание того, как ведут себя эти тяжёлые частицы-зонды, прокладывает путь к будущим экспериментам, например, на установках FAIR в Германии и SPS в ЦЕРН, которые будут изучать материю при несколько иных условиях. А значит, наш детективный роман о рождении Вселенной ещё далёк от завершения. И самые захватывающие главы, похоже, ещё впереди.
