Новое исследование ученых-физиков: «первичный бульон» Вселенной был жидким

Группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) впервые экспериментально доказала, что кварки, взаимодействуя с кварк-глюонной плазмой, оставляют вихревые структуры, аналогичные ряби на поверхности жидкости. Этот результат подтверждает гипотезу о том, что первичный "бульон" ранней Вселенной имел свойства жидкости, а не представлял собой хаотичную совокупность частиц. Исследование, опубликованное в журнале Physics Letters, представляет собой значительный вклад в понимание фундаментальных процессов, происходивших в первые мгновения после Большого взрыва.

Первые мгновения Вселенной: кварк-глюонная плазма

В первые микросекунды после Большого взрыва Вселенная находилась в состоянии кварк-глюонной плазмы, характеризующейся температурой порядка триллионов градусов Цельсия. Эта экзотическая фаза материи существовала короткое время, прежде чем кварки и глюоны, фундаментальные составляющие материи, начали соединяться, образуя протоны, нейтроны и другие частицы, составляющие современную материю. Кварк-глюонная плазма представляет собой высокоэнергетическое состояние материи, где кварки и глюоны свободно взаимодействуют, образуя динамическую систему с уникальными физическими свойствами.

Для воссоздания условий ранней Вселенной физики в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) проводят эксперименты, в которых тяжелые ионы сталкиваются на околосветовой скорости. Эти столкновения приводят к образованию кратковременных капель кварк-глюонной плазмы, которые затем изучаются с помощью специализированных детекторов. Профессор Йен-Джи Ли подчеркивает, что такие эксперименты позволяют получить мгновенные "снимки" взаимодействия кварков с этой экстремально плотной и горячей жидкостью.

Вихри кварков: экспериментальные наблюдения

Исследовательская группа обнаружила, что взаимодействие кварков с кварк-глюонной плазмой приводит к образованию вихревых структур, аналогичных ряби на поверхности воды, возникающей при движении утки. Эти вихри формируются в результате взаимодействия кварков с плазмой, которая проявляет свойства жидкости, замедляя движение кварков и перераспределяя энергию в виде волн.

Для наблюдений использовались Z-бозоны — нейтральные элементарные частицы, слабо взаимодействующие с кварк-глюонной плазмой. Это позволило зафиксировать изменения, вызванные движением кварков, с минимальными искажениями. Исследователи проанализировали более 13 миллиардов столкновений и отобрали 2000 событий, в которых участвовали Z-бозоны. Эти данные позволили наблюдать влияние отдельных кварков на свойства плазмы.

Ли отмечает, что при движении кварка вместе с Z-бозоном вихри образуются в противоположном направлении, что позволяет четко фиксировать поведение кварк-глюонной плазмы. Это наблюдение является ключевым для понимания механизмов взаимодействия кварков с плазмой и формирования вихревых структур.

Проверка гипотезы: подтверждение теории Раджагопала

Ранее профессор Кришна Раджагопал из MIT выдвинул гипотезу о том, что кварк-глюонная плазма обладает свойствами жидкости. Согласно этой теории, прохождение кварка через плазму должно приводить к образованию видимых следов в виде разбрызгивания и ряби частиц. Новые экспериментальные данные, полученные в ЦЕРН, полностью подтвердили эту гипотезу, демонстрируя, что кварк-глюонная плазма действительно ведет себя как жидкость при взаимодействии с кварками.

Даниэль Паблос из Университета Овьедо подчеркивает, что это открытие является результатом многолетних усилий научного сообщества и представляет собой важный шаг вперед в понимании фундаментальных процессов, происходивших на ранних этапах эволюции Вселенной.

Значение для науки: новые перспективы исследования

Анализ размеров, формы и времени рассеяния вихревых структур позволяет исследовать внутренние свойства кварк-глюонной плазмы, включая ее плотность, вязкость и характер межчастичных взаимодействий при экстремальных температурах. Эти данные предоставляют новые возможности для изучения поведения материи в условиях, аналогичных тем, которые существовали в первые мгновения после Большого взрыва.

Йен-Джи Ли заключает, что экспериментальное подтверждение образования вихревых структур при взаимодействии кварков с кварк-глюонной плазмой впервые позволило рассматривать раннюю Вселенную как жидкость, а не как хаотичную совокупность частиц. Это открытие открывает новые перспективы для углубленного понимания происхождения Вселенной и фундаментальных процессов, лежащих в основе ее эволюции.