Учёные воссоздали первые мгновения Вселенной: плазма Большого взрыва ожила в лаборатории

Учёные сделали невозможное возможным: впервые в истории удалось воспроизвести и измерить состояние материи, существовавшее в первые мгновения после Большого взрыва. Исследователи из Университета Райса воссоздали кварк-глюонную плазму — субстанцию, из которой зародилась вся Вселенная, и определили её температуру, достигающую триллионов градусов по шкале Кельвина. Эти результаты не только подтверждают теоретические модели, но и открывают новое направление для физики элементарных частиц, позволяя понять, как из чистой энергии родилась материя.

В первые доли микросекунды после Большого взрыва пространство было заполнено кипящей плазмой, где элементарные частицы существовали свободно, прежде чем объединиться в протоны и нейтроны — основу атомов. Воссоздать эти условия удалось в Брукхейвенской национальной лаборатории в США, где используется релятивистский коллайдер тяжёлых ионов (RHIC). Ускоряя атомные ядра почти до скорости света и сталкивая их лоб в лоб, физики создают миниатюрные вспышки с температурой, превышающей солнечную в сотни тысяч раз.

Команда под руководством профессора Фрэнка Гертса разработала новый методанализа этих столкновений. Вместо того чтобы измерять температуру напрямую — что невозможно при таких значениях, — учёные изучили излучение электронно-позитронных пар, рождающихся внутри плазмы. Эти частицы, не взаимодействуя с материей, покидают раскалённую область и несут с собой информацию о её состоянии. По распределению энергии и частоте их появления можно вычислить температуру и плотность плазмы с высокой точностью.

Результаты оказались впечатляющими: температура в момент максимальной энергии составляла около 3,25 триллиона Кельвинов, а на более поздних этапах — около 2 триллионов. Для сравнения, ядро Солнца имеет температуру всего около 15 миллионов Кельвинов. Такие экстремальные значения означают, что в этот момент существовала «жидкая» форма материи, где кварки и глюоны двигались свободно, образуя почти идеальную квантовую жидкость с минимальной вязкостью.

Это открытие стало возможным благодаря усовершенствованию систем детектирования RHIC, способных различать слабейшие сигналы среди миллиардов столкновений. Новая технология фильтрации фонового шума позволила выделить излучение, связанное именно с рождением и охлаждением кварк-глюонной плазмы. Учёные получили не просто моментальный снимок, а динамическую «карту температуры» — временную шкалу, описывающую процесс эволюции этой первичной материи.

Кварк-глюонная плазма представляет собой уникальное состояние вещества, при котором законы физики работают на пределе. В обычных условиях кварки скреплены глюонами, образуя стабильные частицы, но при триллионных температурах эти связи разрываются, и вещество превращается в «суп из фундаментальных частиц». Изучая, как и когда происходит этот переход, физики стремятся понять фундаментальные силы природы и законы, управлявшие формированием первых атомов и галактик.

Наблюдения показали, что излучение из областей с низкой массой связано с поздними стадиями охлаждения, а излучение из областей с высокой массой соответствует самым ранним, горячим моментам существования плазмы. Это позволило реконструировать процесс остывания материи — путь, который прошла Вселенная от состояния плазменного «океана» к стабильным атомам и структурам.

Работа команды Райса имеет далеко идущие последствия. Точная температурная карта кварк-глюонной плазмы помогает уточнить фазовую диаграмму квантовой хромодинамики (КХД) — теории, описывающей взаимодействие кварков и глюонов. Это ключ к пониманию не только Большого взрыва, но и таких экстремальных объектов, как нейтронные звёзды, в недрах которых могут существовать подобные состояния материи.

В дальнейшем учёные планируют использовать полученные данные для моделирования эволюции ранней Вселенной. Понимание того, как вещество переходило из плазменной фазы в стабильную форму, поможет ответить на фундаментальные вопросы космологии: почему материя преобладает над антиматерией, как возникли первые структуры и почему физические константы приняли именно те значения, что наблюдаются сегодня.

Современные коллайдеры становятся своего рода «машинами времени», позволяющими заглянуть в эпоху, когда не существовало ни звёзд, ни галактик, ни даже атомов. Каждый новый эксперимент помогает воспроизвести фрагменты космической истории, из которых складывается картина зарождения мира.

Когда физики из Университета Райса заглядывают в микросекунды после Большого взрыва, они не просто изучают прошлое — они приближают человечество к пониманию того, как из хаоса энергии родился упорядоченный космос. И этот огненный эксперимент напоминает, что вся материя вокруг нас — результат одной ослепительной вспышки, произошедшей 13,8 миллиардов лет назад.