Физики впервые создали капли из первичной материи Вселенной

Российские и зарубежные ученые, работающие с ускорителем частиц RHIC, заявили о создании первых "полноценных" капель кварково-глюонной плазмы – аналогов материи, существовавшей во Вселенной во время Большого Взрыва. Первые их снимки были представлены в журнале Nature Physics.

"Наша работа – кульминация целой серии экспериментов, в рамках которой мы попытались найти способ управлять формой капель кварково-глюонной плазмы. Мы вплотную приблизились к ответу на вопрос – насколько небольшой может быть минимальная порция первичной материи Вселенной", — заявил Джейми Нагл (Jamie Nagle) из университета Колорадо в Боулдере (США).

Так называемая кварково-глюонная плазма, или "квагма", представляет собой материю, "разобранную" на самые мельчайшие частицы – кварки и глюоны, обычно удерживаемые внутри протонов, нейтронов и других частиц так называемым сильным ядерным взаимодействием.

Для "освобождения" кварков и глюонов необходимы гигантские температуры и энергии, которые, как сегодня считают ученые, существовали в природе только в момент Большого Взрыва. По этой причине в природе фактически не существует примеров этой материи, которые можно было бы изучать при помощи телескопов или других приборов.

Более десять лет назад физики выяснили, что такие условия можно воспроизвести, если сталкивать достаточно тяжелые ионы друг с другом при помощи мощных ускорителей частиц. Достаточно долгое время ученые считали, что иным образом "квагму" получить невозможно.

Несколько лет назад они получили первые намеки на то, что это не так, изучая результаты экспериментов на двух коллайдерах — БАК и RHIC. Оказалось, что "первичная материя Вселенной" образуется при столкновениях одиночных протонов и ионов свинца. Год назад ученые пошли дальше и выяснили, что этого же можно добиться, сталкивая одиночные протоны.

Эти открытия заставили физиков задуматься о том, возникали ли реальные облачка первичной материи Вселенной после столкновений ионов и протонов или же там появляется нечто совершенно иное. Нагл и его коллеги придумали остроумную методику для проверки этих открытий, опирающуюся на уникальные свойства квагмы.

Как объясняет физик, ученые сегодня считают, что первичная материя Вселенной ведет себя, как сверхтекучая идеальная жидкость, обладающая нулевой вязкостью и некоторыми другими аномальными свойствами. В случае с экспериментами на БАК и RHIC это будет проявляться в том, что изначальная форма капли "квагмы" не будет случайной.

Она, как отмечают исследователи, будет зависеть от того, как выглядели ее прародители. К примеру, протон похож на круг, его тяжелый "кузен" дейтерий – на эллипс, а гелий-3 – на треугольник. Соответственно, если капли первичной материи Вселенной действительно возникают при их столкновениях, то они будут похожи на эти три фигуры.

Руководствуясь этой идеей, Нагл и его коллеги провели серию экспериментов на RHIC, сталкивая условно круглое ядро золота с тремя этими веществами. Когда в детекторе PHENIX рождалось очередное облачко "квагмы", ученые следили за его расширением и пытались восстановить его оригинальную форму, используя компьютерные модели.

"Во всех шести экспериментах, которые мы провели, реальные замеры совпали с предсказанными геометрическими формами. Изначальная и финальная форма этих облачков материи очень хорошо укладывалась в результаты расчетов, что подтвердило существование капель кварково-глюонной плазмы", — заявила Джулия Велковска (Julia Velkovska), официальный представитель коллаборации PHENIX.

Подтверждение их существования, в свою очередь, помогло физикам проверить две самых популярных теории, объясняющих то, как вела себя первичная материя Вселенной во время Большого Взрыва. Сторонники первой предполагают, что движения и взаимодействия квагмы описываются обычными законами гидродинамики.

Их оппоненты, в свою очередь, считают, что поведением этой экзотической формы материи управляют квантовые процессы, в первую очередь – взаимодействия между глюонами. Эти квантовые процессы не будут сильно влиять на изначальную форму капель, но поменяют то, как она будет расширяться при превращении в эллипс или треугольник.

В частности, "квантовая" теория говорит о том, что облачка, возникшие в результате столкновения атома золота и протона, а также золота и дейтерия, будут расширяться одинаковым образом. Как отметила Велковска, эта идея оказалась ошибочной – форма и того, и другого типа капель "квагмы" менялась по разным сценариям.

Сейчас физики проводят дополнительные эксперименты, в рамках которых они пытаются измерить температуру этих капель. Если она окажется достаточно высокой, то тогда возможность существования самых мельчайших порций первичной материи Вселенной будет окончательно доказана, заключают исследователи.