Фізики здивувалися, коли з'ясували, що сталося в перші секунди після Великого вибуху

Дослідження опубліковано в журналі Physical Review Letters, пише Interesting Engineering.

Кварк-глюонна плазма — що це?

Усе, що ви бачите навколо і те, що знаходиться в космосі, складається зі звичайної матерії, але вона виникала з надзвичайно гарячої кварк-глюонної плазми. У такому стані Всесвіт, який був дуже гарячим, щільним, і заповненим кварками та глюонами, що вільно рухалися, перебував у перші мікросекунди після Великого вибуху.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

• Кварки — це фундаментальні частинки, з яких складаються протони та нейтрони, а це своєю чергою частинки, які є основою ядра атома.
• Глюони — це фундаментальні частинки, які є переносниками сильної взаємодії. Це одна з чотирьох фундаментальних сил Всесвіту разом із гравітацією, електромагнітною та слабкою взаємодією.

Стан кварк-глюонної плазми тривав лише кілька мікросекунд, після чого Всесвіт охолонув приблизно до 20 трильйонів градусів Цельсія. Потім частинки почали охолоджуватися і створювати всю відому нам матерію.

Проблема з розумінням кварк-глюонної плазми

Багато років фізики намагалися зрозуміти точну поведінку кварк-глюонної плазми. Але виникла велика проблема: сильна ядерна взаємодія, яка пов'язує кварки, є занадто складною для опису за допомогою традиційних математичних інструментів.

Тепер же фізики зробили прорив у цьому напрямку. Вони обчислили рівняння стану, співвідношення між температурою, тиском і енергією, для найбільш ранньої плазми Всесвіту. Таким чином вони показали найповнішу картину того, як сильна взаємодія сформувала космос відразу після Великого вибуху.

Головна проблема в розумінні кварк-глюонної плазми полягає в силі та складності сильної взаємодії. На відміну від гравітації електромагнітної взаємодії, поведінку яких можна описати за допомогою точних рівнянь і невеликих поправок, сильна взаємодія поводиться непередбачувано в масштабах, що відповідають ранньому Всесвіту.

Звичайний метод розуміння ранньої плазми Всесвіту за допомогою теорії збурень, яка обчислює взаємодії крок за кроком, зазнає невдачі. Це пов'язано з тим, що постійна зв'язку сильної взаємодії (число, яке показує, наскільки сильною є взаємодія між частинками) не є маленькою. Це робить математичні обчислення неконтрольованими.

Щоб розв'язати цю проблему, фізики використовували теорію гратчастої квантової хромодинаміки (КХД). Уявіть собі це як побудову чотиривимірної шахівниці, що представляє простір-час, де частинки живуть на кожній клітині, а їхні взаємодії можна обчислити крок за кроком.

Але цей метод має обмеження. Попередні моделювання з використанням решіткової КХД могли досягати температури плазми тільки нижче 1 Гев, а це приблизно 11,6 трильйона градусів Цельсія, що набагато нижче за електрослабкий фазовий перехід (приблизно 100 Гев), ключовий момент, коли частинки набирали масу.

Те, що виявили фізики, їх здивувало

Тому фізики об'єднали решіткову КХД з методом Монте-Карло, який використовує випадкову вибірку для вирішення складних завдань. Таким чином нова модель точно імітує умови у Всесвіті протягом перших мікросекунд після Великого вибуху. Фізики створили математичну формулу, яка описує щільність ентропії кварк-глюонної плазми. Звідти вони вивели тиск і щільність енергії плазми за допомогою стандартних термодинамічних рівнянь.

Те, що виявили фізики, було дивовижним. Навіть за дуже високих температур кварки і глюони в плазмі не поводилися як вільні частинки. Сильна взаємодія все ще домінувала, відіграючи важливу роль набагато раніше в перші миті в історії Всесвіту, ніж припускали фізики.

Нове розуміння кварк-глюонної плазми дає фізикам точнішу картину найбільш ранніх моментів Всесвіту, допомагаючи точно налаштувати моделі того, як формувалася матерія і як розвивалися фундаментальні сили Всесвіту.

Як уже писав Фокус, вчені розв'язали давню загадку фізики елементарних частинок, яка потенційно вирішує загадку природи темної матерії.

Також Фокус писав про те, що, як з'ясували астрономи, крижаний супутник Юпітера Європа змінюється дивним чином. Це підтверджує теорію про те, що під крижаною корою знаходиться океан з рідкої води, де потенційно може мешкати позаземне життя.