«Маленький взрыв» помогает физикам изучать историю рождения Вселенной

Наша Вселенная началась с «Большого взрыва» Но что произошло дальше, остается загадкой. Ученые считают, что до образования атомов — или даже протонов и нейтронов, из которых они состоят, — вероятно, существовала горячая, густая смесь двух элементарных частиц, называемых кварками и глюонами, которая бурлила в пространстве в виде плазмы. И поскольку рядом не было никого, кто мог бы наблюдать за первыми мгновениями космоса, коалиция исследователей пытается пересмотреть историю.


Используя Релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории, они, по сути, создали «Малый взрыв» и используют его для исследования свойств кварк-глюонной плазмы. Полученные данные помогут космологам уточнить их все еще нечеткую картину ранней Вселенной и того, как субстанция младенческой материи остыла и объединилась в планеты, звезды и галактики.


— физик Ронгронг Ма.

На данный момент нельзя с точностью определить, сколько времени продолжалась плазменная стадия — существует целый ряд факторов, влияющих на ее продолжительность, от нескольких секунд до тысяч лет. Однако несмотря на неопределенность продолжительности, плазменная стадия способна сохраняться даже в настоящее время в плотных ядрах нейтронных звезд, а также возникает при высокоэнергетических столкновениях частиц с атмосферой Земли. В связи с этим, изучение свойств плазменной стадии поможет более полно охарактеризовать физику наиболее экстремальных космических сред.

Изучение ранних стадий формирования Вселенной не представляется возможным с использованием телескопов, которые способны проникнуть только до космического микроволнового фона — первого света, возникшего из плотной ранней Вселенной через сто тысяч лет после Большого Взрыва. Весь период, предшествующий этому моменту, как в прямом, так и в переносном смысле, является частью темной эпохи космологии. Теоретическое моделирование может помочь заполнить этот пробел, однако Яки Норонья-Хостлер, физик-ядерщик из Университета Иллинойса, считает, что детекторы, такие как STAR, могут способствовать экспериментальному пониманию системы, близкой к Большому Взрыву.

В марте этого года исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале Physical Review Letters, в которой они сообщили о создании кварк-глюонной плазмы на короткое время путем ускорения двух лучей золота практически до скорости света и их последующего столкновения. После этого исследователи рассчитали, насколько высокой температурой обладала плазма после Большого взрыва.

Для этого требовалось обнаружить идущие во внешнем космосе ипсилоны, которых не существовало на заре Вселенной, поскольку они являются побочным продуктом столкновений лучей золота. Ипсилоны состоят из кварка и его «антианалога», связанных в трех различных конфигурациях: «основное состояние» и два возбужденных состояния, одно из которых более свободно, чем другое. Столкновение золотых ядер порождает огромное количество ипсилонов в каждом из этих трех состояний.

Ученые решили задействовать частицы, чтобы создать своеобразные термометры. Они использовали плазму, которая теоретически существовала в первые микросекунды после Большого взрыва. Плазма разрывала ипсилон на части, а взаимодействие с кварками и глюонами расплавляло их до основных элементов. У каждого фрагмента была своя «точка плавления». Ипсилонам, находящимся в основном состоянии, требовалось больше энергии — высокие температуры — чтобы расплавиться, а более слабым парам кварк-антикварк — меньше. Таким образом, создавая условия плазмы после взрыва и подсчитывая количество выживших ипсилонов каждого состояния, ученые смогли определить температуру в первые моменты существования Вселенной.

Это помогло физикам определить другие свойства кварк-глюонной плазмы, так как ее температура неразрывно связана с плотностью, давлением и вязкостью. В конечном итоге ученые хотят иметь возможность решать уравнение состояния — математическое выражение, описывающее все свойства плазмы, их влияние друг на друга и эволюцию во времени.

Кварк-глюонная плазма является уникальной системой, которая характеризуется высокой температурой, но при этом имеет крайне малые размеры, порядка диаметра протона. Из-за таких свойств данная система не подчиняется обычным законам, регулирующим поведение жидкостей. Однако только понимая ее поведение, космологи смогут проводить экстраполяции и оценки, касающиеся времени, которое Вселенная находилась в этом жидком состоянии. Также это поможет установить, какие физические процессы привели к переходу данной плазмы к более привычным протонам, нейтронам и другим частицам, составляющим сегодняшнюю материю.

Данный эксперимент уже второй раз проводился учеными, первый раз — в 2012 году — с использованием Большого адронного коллайдера в ЦЕРН. Заряженные ядра золота были столкнуты в детекторе STAR при более низких энергиях, чем в эксперименте в ЦЕРН, для изучения свойств плазмы при различных температурах. Этот эксперимент поможет ученым лучше понять температурную зависимость свойств плазмы, и даст им новые данные для настройки теоретических моделей ранней Вселенной.

Более ранний эксперимент в ЦЕРН был направлен на исследование более горячей плазмы — ускорение частиц проходило с энергиями в 25 раз выше, чем в эксперименте в Брукхейвене. Тем не менее низкотемпературное состояние, созданное в Брукхейвене, ближе к тому, как могла выглядеть система слившихся кварков и глюонов.

В эксперименте ученые разогнали и столкнули ядра золота, затем они проанализировали количество ипсилонов в каждом состоянии и сравнили их с теоретическими расчетами о количестве ипсилонов до расплавления. Исследователи отметили, что около 60 процентов ипсилонов в основном состоянии и 70 процентов ипсилонов в промежуточном состоянии отсутствовали после расплавления. Ипсилоны с самой слабой связью кварков и антикварков, казалось, исчезли полностью.

В целом, эксперимент позволил ученым получить новую информацию о процессах, происходящих в ранней Вселенной и о температурной зависимости свойств плазмы.

По свежим данным, подтверждающим предыдущие измерения команды STAR, был установлен нижний предел температуры, необходимой для создания плазмы — не менее триллиона градусов. Это почти в миллион раз больше, чем в центре Солнца. Удалось достичь такой температуры за невероятно короткие 10^-23 секунды благодаря атомному столкновению.

В настоящее время команда STAR готовится повторить свои измерения в Брукхейвене с использованием примерно в 20 раз большего количества данных. Эксперименты позволят выяснить, исчезли ли частицы с наиболее слабой связью кварк-антикварк или они просто выжили со скоростью, слишком низкой для обнаружения.

Другой детектор под названием sPHENIX также будет запущен в лаборатории в течение следующего месяца. Этот прибор, весом в тысячи тонн, построен вокруг ультрахолодного сверхпроводящего магнитного сердечника, который позволит исследовать эффект плавления с еще большей точностью.

Несмотря на то, что ипсилоны являются одной из важных частей головоломки, связанной с попытками понять свойства кварк-глюонной плазмы, физики также могут исследовать столкновения отдельных кварков, изучать фотоны, испускаемые плазмой, либо пытаться определить типы и скорости образования других частиц, которые возникают в процессе столкновения ядер золота.