Физики удивились, когда выяснили, что произошло в первые секунды после Большого взрыва

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, пишет Interesting Engineering.

Кварк-глюонная плазма – что это?

Все, что вы видите вокруг и то, что находится в космосе, состоит из обычной материи, но она возникала из чрезвычайно горячей кварк-глюонной плазмы. В таком состоянии Вселенная, которая была очень горячей, плотной, и заполненной свободно движущимися кварками и глюонами, находилась в первые микросекунды после Большого взрыва.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

• Кварки – это фундаментальные частицы, из которых состоят протоны и нейтроны, а это в свою очередь частицы, которые являются основой ядра атома.
• Глюоны — это фундаментальные частицы, которые являются переносчиками сильного взаимодействия. Это одна из четырех фундаментальных сил Вселенной вместе с гравитацией, электромагнитным и слабым взаимодействием.

Состояние кварк-глюонной плазмы продолжалось всего несколько микросекунд, после чего Вселенная остыла примерно до 20 триллионов градусов Цельсия. Затем частицы начали охлаждаться и создавать всю известную нам материю.

Проблема с понимаем кварк-глюонной плазмы

Многие годы физики пытались понять точное поведение кварк-глюонной плазмы. Но возникла большая проблема: сильное ядерное взаимодействие, которое связывает кварки, является слишком сложным для описания с помощью традиционных математических инструментов.

Теперь же физики совершили прорыв в этом направлении. Они вычислили уравнение состояния, соотношение между температурой, давлением и энергией, для самой ранней плазмы Вселенной. Таким образом они показали наиболее полную картину того, как сильное взаимодействие сформировало космос сразу после Большого взрыва.

Главная проблема в понимании кварк-глюонной плазмы заключается в силе и сложности сильного взаимодействия. В отличие от гравитации электромагнитного взаимодействия, поведение которых можно описать с помощью точных уравнений и небольших поправок, сильное взаимодействие ведет себя непредсказуемо в масштабах, соответствующих ранней Вселенной.

Обычный метод понимания ранней плазмы Вселенной с помощью теории возмущений, которая вычисляет взаимодействия шаг за шагом, терпит неудачу. Это связано с тем, что постоянная связи сильного взаимодействия (число, которое показывает, насколько сильным является взаимодействие между частицами) не является маленькой. Это делает математические вычисления неконтролируемыми.

Чтобы решить эту проблему, физики использовали теорию решеточной квантовой хромодинамики (КХД). Представьте себе это как построение четырехмерной шахматной доски, представляющей пространство-время, где частицы живут на каждой клетке, а их взаимодействия можно вычислить шаг за шагом.

Но этот метод имеет ограничения. Предыдущие моделирования с использованием решеточной КХД могли достигать температуры плазмы только ниже 1 ГэВ, а это примерно 11,6 триллиона градусов Цельсия, что намного ниже электрослабого фазового перехода (примерно 100 ГэВ), ключевого момента, когда частицы набирали массу.

То, что обнаружили физики, их удивило

Поэтому физики объединили решеточную КХД с методом Монте-Карло, который использует случайную выборку для решения сложных задач. Таким образом новая модель точно имитирует условия во Вселенной в течение первых микросекунд после Большого взрыва. Физики создали математическую формулу, которая описывает плотность энтропии кварк-глюонной плазмы. Оттуда они вывели давление и плотность энергии плазмы с помощью стандартных термодинамических уравнений.

То, что обнаружили физики, было удивительным. Даже при очень высоких температурах кварки и глюоны в плазме не вели себя как свободные частицы. Сильное взаимодействие все еще доминировало, играя важную роль гораздо раньше в первые мгновения в истории Вселенной, чем предполагали физики.

Новое понимание кварк-глюонной плазмы дает физикам более точную картину самых ранних моментов Вселенной, помогая точно настроить модели того, как формировалась материя и как развивались фундаментальные силы Вселенной.

Как уже писал Фокус, ученые решили давнюю загадку физики элементарных частиц, которая потенциально решает загадку природы темной материи.

Также Фокус писал о том, что, как выяснили астрономы, ледяной спутник Юпитера Европа меняется странным образом. Это подтверждает теорию о том, что под ледяной корой находится океан из жидкой воды, где потенциально может обитать внеземная жизнь.