Какими были первые мгновения Вселенной? Это тайна, которую ученые пытаются разгадать уже несколько десятилетий. Коллаборация ALICE в ЦЕРНе является экспертом в этом вопросе: этот детектор (A Large Ion Collider Experiment) был разработан для изучения кварк-глюонной плазмы, фазы материи, которая должна была существовать сразу после Большого взрыва. И недавно команде удалось воссоздать и охарактеризовать эту самую первую гипотетическую материю благодаря Большому адронному коллайдеру (БАК).
Каковы свойства материи при экстремальных плотностях и температурах ранней Вселенной? Ученые из коллаборации ALICE наконец-то получили ответы на некоторые вопросы. Образовавшаяся материя сохранялась лишь долю секунды, но достаточно долго, чтобы ученые впервые смогли изучить ее характеристики.
Оказалось, что плазма жидкая, и это открытие может дать лучшее понимание того, как ранняя Вселенная развивалась в первые микросекунды после Большого взрыва. Чтобы воспроизвести эту первобытную материю, команда инициировала столкновения тяжелых (свинцовых) ионов при высокой энергии (5 ТэВ) в рамках БАК.
Плазма, текущая как вода
Напомним, что кварки — это элементарные частицы, которые объединяются, образуя протоны и нейтроны (среди прочих). Кварки связаны между собой сильным взаимодействием, опосредованным частицами, называемыми глюонами. При столкновениях в БАК температура более чем в 100 000 раз превышает температуру в центре Солнца. В этих экстремальных условиях протоны и нейтроны распадаются, высвобождая при этом составляющие их кварки и глюоны: получается знаменитая кварк-глюонная плазма.
Цель коллаборации ALICE — изучить эту плазму, чтобы понять, как она могла породить частицы, из которых сегодня состоит материя нашей Вселенной. Для этого на глубине 56 метров под землей был установлен гигантский детектор, принимающий пучки частиц от БАК. Свинцовые частицы, запускаемые со скоростью, близкой к скорости света, были использованы для воссоздания самой первой материи, появившейся после Большого взрыва. Эксперимент уже был успешно проведен в прошлом, но на этот раз ученые успели детально прощупать характеристики плазмы.
Кварк-глюонная плазма демонстрировала характеристики, типичные для идеальной жидкости, практически не оказывая сопротивления потоку. Поток жидкости определяется соотношением между ее вязкостью и плотностью. Хотя вязкость и плотность кварк-глюонной плазмы примерно на 16 порядков выше, чем у воды, исследователи обнаружили, что отношение вязкости к плотности двух типов жидкости было одинаковым. Другими словами, самое первое состояние материи текло бы так же как вода!
Удивительное сходство
Вскоре после Большого взрыва ранняя Вселенная состояла из плотного, горячего «супа» из кварков и глюонов. Через несколько микросекунд эта смесь остыла и образовала первые строительные блоки материи, из которой состоит вся Вселенная. Таким образом, материя, которая окружает нас сегодня, теоретически имеет совсем другие свойства, чем тот первобытный суп. Жидкости, такие как вода, например, основаны на совокупности атомов и молекул, которые намного больше, чем примитивные частицы, и удерживаются вместе гораздо более слабыми силами. Но последние эксперименты показывают, что, несмотря на эти различия, кинематическая вязкость — способность жидкости течь — первобытной плазмы очень похожа на вязкость обычных жидкостей.
Вязкость жидкости может значительно варьироваться в зависимости от температуры. Однако существует нижний предел этой почти универсальной вязкости, который зависит от фундаментальных физических констант (таких, как постоянная Планка). Однако результаты исследования показывают, что вязкость кварк-глюонной плазмы очень близка к этому универсальному нижнему пределу вязкости. «Это исследование является довольно редким и обнадеживающим примером возможности проведения количественных сравнений между чрезвычайно разрозненными системами», — сказал в своем заявлении профессор Маттео Баггиоли, один из членов команды.
«Эти результаты также являются новой иллюстрацией возможностей физики по переводу общих принципов в конкретные предсказания сложных свойств, таких как течение жидкости в экзотических типах материи, таких как кварк-глюонная плазма», — добавил он.
Квантовая хромодинамика — это теория, которая может описать мощные силы взаимодействия между кварками и глюонами (и, следовательно, сплоченность атомного ядра); но ее недостаточно для полного понимания свойств первобытной плазмы. Поэтому такое поразительное сходство с гидродинамикой является новым шагом вперед в этой области исследований. Ученые надеются обнаружить еще больше деталей об этой плазме по мере модернизации ускорителя ЦЕРН. Дальнейшие исследования также позволят лучше понять, как кварки и глюоны организуются в протоны и нейтроны — шаг, который мог привести к чрезвычайно быстрому расширению (космической инфляции) Вселенной.
Источник:
