Теория большого взрыва: учёные смоделировали путь тяжелых частиц в экстремальных условиях

Международная команда физиков совершила прорыв в понимании процессов, происходивших в первые мгновения после Большого взрыва. Исследовав поведение тяжёлых частиц в экстремальных условиях, аналогичных ранней Вселенной, они доказали их критическую роль в формировании материи.

Международная группа физиков, включая Хуана М.

Торреса-Ринкона (Университет Барселоны), Сантноу К. Даса (Индийский технологический институт в Гоа) и Ральфа Раппа (Техасский университет A&M), раскрыла детали поведения тяжёлых частиц материи в условиях, царивших во Вселенной вскоре после Большого взрыва. Их исследование опубликовано в авторитетном журнале Physics Reports.

Учёные сосредоточились на частицах, содержащих тяжёлые кварки ("очарованный" и "прелестный"), таких как D- и B-мезоны. Их интересовало, как эти частицы ведут себя в экстремально плотной и горячей среде – адронной материи. Такая среда возникает на финальных стадиях столкновений тяжёлых атомных ядер, разогнанных до околосветовых скоростей на установках вроде Большого адронного коллайдера (БАК, ЦЕРН) или коллайдера релятивистских тяжёлых ионов RHIC (Брукхейвенская национальная лаборатория, США). Ключевой вывод: взаимодействия тяжёлых частиц в этой фазе настолько важны и сложны, что их игнорирование ведёт к некорректным расчётам эволюции системы.

При столкновении ядер температура среды на мгновения подскакивает до чудовищных значений – свыше 2 триллионов градусов Цельсия (сотни тысяч миллиардов Кельвинов), что в сотни тысяч раз выше температуры ядра Солнца (~15 млн К).

В этих условиях обычная адронная материя "плавится", образуя кварк-глюонную плазму (КГП) – состояние, в котором кварки и глюоны, составляющие протоны и нейтроны, существуют свободно. Это состояние материи доминировало во Вселенной в первые микросекунды после Большого взрыва. По мере остывания КГП конденсируется обратно в адроны.

Тяжёлые частицы (с "очарованными" и "прелестными" кварками) играют в этих экспериментах роль уникальных "зондов". Благодаря своей большой массе они движутся медленнее лёгких частиц и более чувствительны к свойствам окружающей их плазмы, позволяя учёным "зондировать" её характеристики.

Для правильной интерпретации экспериментальных данных, особенно тех, что фиксируются детекторами в конце процесса столкновения, крайне важно отслеживать траектории тяжёлых частиц на всех этапах реакции. Даже когда основная кварк-глюонная плазма уже остыла и превратилась в адронную материю, тяжёлые частицы продолжают терять энергию через взаимодействия с этой средой и существенно влияют на общую динамику системы,

— поясняет Хуан Торрес-Ринкон.

Данное исследование:

Углубляет понимание ранней Вселенной. Оно позволяет точнее реконструировать процессы, происходившие в первые мгновения после её рождения. Критически важно для экспериментов. Даёт ключевые теоретические модели для интерпретации данных текущих (БАК, RHIC) и будущих экспериментов, таких как строящийся комплекс FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) в Дармштадте (Германия), где изучение КГП будет одним из приоритетов. Открывает междисциплинарные перспективы. Полученные знания о поведении вещества в экстремальных условиях могут найти отголоски в других областях, включая физику конденсированного состояния, астрофизику (нейтронные звёзды) и даже разработку новых материалов. Подтверждает роль моделирования. Поскольку КГП существует лишь доли наносекунды (10^(-23) - 10^(-22) секунд) и её параметры невозможно измерить напрямую с достаточной детализацией, теоретическое моделирование, как в этой работе, остаётся незаменимым инструментом.