Физики из Университета Райса сделали прорыв в понимании первого мгновения после рождения Вселенной в результате Большого взрыва. Впервые ученым удалось измерить температуру кварк-глюонной плазмы (хромоплазмы) — сверхгорячего состояния материи, которое, по теории, заполняло пространство-время на первых этапах его эволюции. Это открытие приближает науку к разгадке того, как выглядела Вселенная в первые микросекунды своего существования.
Что такое кварк-глюонная плазма?
Хромоплазма — это экзотическое состояние вещества, в котором кварки и глюоны, обычно связанные в протоны и нейтроны, находятся в свободном состоянии. Такое состояние возникает только при сверхвысоких температурах — в триллионы кельвинов. Считается, что именно такой была материя сразу после Большого взрыва, прежде чем остыть и образовать атомы.
Впервые существование кварк-глюонной плазмы было экспериментально подтверждено в 2000 году в CERN, хотя теоретически она предполагалась еще в 1970-х. Однако до сих пор оставалось загадкой, насколько горячей была эта плазма и как менялась ее температура.
Как измерили температуру?
Команда исследователей использовала Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в США. Они наблюдали за столкновениями тяжелых ядер, которые на мгновение создают условия, подобные тем, что существовали после Большого взрыва. В центре внимания — редкие электрон-позитронные пары, возникающие в процессе этих столкновений.
Эти частицы, в отличие от кварков, почти не взаимодействуют с плазмой, поэтому несут «чистую» информацию о ее температуре. Их энергетическое распределение позволяет определить, насколько горячей была плазма на разных этапах ее эволюции.
Технические вызовы
Измерения оказались чрезвычайно сложными. Электрон-позитронные пары — чрезвычайно редки среди миллионов других частиц, возникающих при столкновениях. Для их обнаружения команда использовала специально откалиброванную систему детекторов, способную распознавать эти сигналы с беспрецедентной точностью.
Кроме того, пришлось бороться с фоновыми процессами, которые могли имитировать тепловые сигналы, что требовало сложной обработки данных и устранения шума.
Жара первых микросекунд
Исследователи определили две средние температуры кварк-глюонной плазмы:
- 2,01К трлн — для пар с более низкой массой, что соответствует более поздней стадии охлаждения плазмы.
- 3,25К трлн — для пар с большей массой, которые возникли на раннем, более горячем этапе.
Эти данные подтверждают теоретические модели и позволяют лучше понять, как менялось состояние материи в первые мгновения после Большого взрыва.
Следующим шагом станет построение полной фазовой диаграммы QCD — квантовой хромодинамики, которая описывает поведение материи при экстремальных температурах и плотностях. Это поможет не только лучше понять раннюю Вселенную, но и объяснить процессы в нейтронных звездах и других экстремальных космических объектах.
Ранее мы объясняли, что было до Большого взрыва.
По материалам Big Think
