Фізики з Університету Райса зробили прорив у розумінні першої миті після народження Всесвіту в результаті Великого вибуху. Вперше науковцям вдалося виміряти температуру кварк-глюонної плазми (хромоплазми) — надгарячого стану матерії, який, за теорією, заповнював часопростір на перших етапах його еволюції. Це відкриття наближає науку до розгадки того, яким був Всесвіт у перші мікросекунди свого існування.
Що таке кварк-глюонна плазма?
Хромоплазма — це екзотичний стан речовини, в якому кварки та глюони, зазвичай зв’язані в протони та нейтрони, перебувають у вільному стані. Такий стан виникає лише за надвисоких температур — у трильйони кельвінів. Вважається, що саме такою була матерія одразу після Великого вибуху, перш ніж охолонути й утворити атоми.
Вперше існування кварк-глюонної плазми було експериментально підтверджене 2000 року в CERN, хоча теоретично вона передбачалася ще у 1970-х. Проте досі залишалося загадкою, наскільки гарячою була ця плазма і як змінювалася її температура.
Як виміряли температуру?
Команда дослідників використала Релятивістський колайдер важких іонів (RHIC) у США. Вони спостерігали за зіткненнями важких ядер, які на мить створюють умови, подібні до тих, що існували після Великого вибуху. У центрі уваги — рідкісні електрон-позитронні пари, що виникають у процесі цих зіткнень.
Ці частинки, на відміну від кварків, майже не взаємодіють із плазмою, тому несуть «чисту» інформацію про її температуру. Їхній енергетичний розподіл дозволяє визначити, наскільки гарячою була плазма на різних етапах її еволюції.
Технічні виклики
Вимірювання виявилися надзвичайно складними. Електрон-позитронні пари — надзвичайно рідкісні серед мільйонів інших частинок, що виникають у зіткненнях. Для їхнього виявлення команда використала спеціально відкалібровану систему детекторів, здатну розпізнавати ці сигнали з безпрецедентною точністю.
Окрім цього, довелося боротися з фоновими процесами, які могли імітувати теплові сигнали, що вимагало складної обробки даних і усунення шуму.
Жар перших мікросекунд
Дослідники визначили дві середні температури кварк-глюонної плазми:
- 2,01К трлн — для пар з нижчою масою, що відповідає пізнішій стадії охолодження плазми.
- 3,25К трлн — для пар з більшою масою, які виникли на ранньому, гарячішому етапі.
Ці дані підтверджують теоретичні моделі та дозволяють краще зрозуміти, як змінювався стан матерії в перші миттєвості після Великого вибуху.
Наступним кроком стане побудова повної фазової діаграми QCD — квантової хромодинаміки, яка описує поведінку матерії за екстремальних температур і щільностей. Це допоможе не лише краще зрозуміти ранній Всесвіт, а й пояснити процеси в нейтронних зорях та інших екстремальних космічних об’єктах.
Раніше ми пояснювали, що було до Великого вибуху.
За матеріалами Big Think
