Вселенная в первые секунды после Большого взрыва

Физики Университета Саленто и итальянского Национального института ядерной физики впервые смогли точно описать, как вела себя Вселенная.
Они пришли к выводу, что после Большого взрыва пространство заполнила кварк-глюонная плазма — раскалённое первичное вещество, в котором частицы ещё не связывались в стабильные структуры.

Вселенная в самые первые мгновения её существования представляла собой нечто невообразимо горячее и плотное. В этом первозданном "бульоне" ещё небыло привычных нам протонов и нейтронов, а вместо них свободно плавали их фундаментальные составляющие — кварки и глюоны.
Это экзотическое состояние вещества, известное как кварк-глюонная плазма (КГП), просуществовало лишь краткий миг, но его изучение — ключ к пониманию самых ранних этапов эволюции нашего мира.
И вот, итальянские физики сделали важный шаг, уточнив, как вела себя эта плазма, и какую роль в ней играло могущественное сильное взаимодействие.

Чтобы понять, о чем идет речь, следует знать физику элементарных частиц. Протоны и нейтроны, из которых состоят ядра атомов (а значит, и мы с вами), на самом деле не такие уж "элементарные". Каждый из них — это трио из частиц поменьше, называемых кварками.
А скрепляют эти кварки вместе другие частицы — глюоны, переносчики так называемого сильного ядерного взаимодействия. Это самое сильное из четырех фундаментальных взаимодействий в природе, настолько мощное, что "склеивает" кварки в протонах и нейтронах намертво.

В первые микросекунды после Большого Взрыва температура Вселенной была чудовищной — триллионы градусов! При такой жаре энергии было столько, что кварки и глюоны просто не могли "слипнуться" в адроны (общее название для частиц вроде протонов и нейтронов). Они существовали в виде эдакого "супа" — кварк-глюонной плазмы. Это состояние очень похоже на обычную плазму, которую мы знаем (например, в плазменных телевизорах или молниях), где электроны отрываются от атомов. Только в КГП "отрываются" друг от друга кварки и глюоны.

Затем Вселенная начала остывать. Примерно через одну микросекунду после Большого Взрыва температура упала до критической отметки (около 20 триллионов Кельвинов, или, переводя в энергетические единицы, около 150 МэВ), и произошла "адронизация" — кварки и глюоны наконец-то объединились, сформировав знакомые нам частицы. А до этого момента, в промежутке между примерно 10⁻¹² секунды (когда произошло электрослабое разделение сил) и 10⁻⁶ секунды после Большого взрыва, и царила эпоха кварк-глюонной плазмы.
Впервые намеки на её существование были получены, а затем и убедительно подтверждены экспериментально в ЦЕРНе в 2000 году, где учёные научились на крошечные мгновения воссоздавать условия ранней Вселенной, сталкивая тяжёлые ионы.

Физики обнаружили в кварк-глюонной плазме частицы "Х"

Итальянские физики впервые смогли точно описать, как вела себя эта плазма. Они вывели уравнение состояния, которое связывает её температуру, давление и плотность энергии. Работа основана на точных численных методах и описывает поведение вещества при экстремальных условиях.

Оказалось, что в первые микросекунды после Большого взрыва небыло ни атомов, ни звёзд, ни привычной материи, а существовала лишь кварк-глюонная плазма в виде раскалённого первичного вещества, в котором частицы ещё не связывались в стабильные структуры.

Полученные результаты удивили учёных. Они ожидали увидеть хаотичное поведение газа, но расчёты показали обратное: плазма демонстрировала свойства почти идеальной жидкости с минимальной вязкостью.

Это открытие физиков противоречит ранним моделям возникновения Вселенной и меняет представление о первых мгновениях её жизни. Если вещество вело себя как жидкость, значит, в системе уже тогда действовали механизмы, способные к быстрой самоорганизации. Именно это обусловило формирование стабильных частиц и, позже, всей наблюдаемой материи.

Для фундаментальной физики это важный сдвиг в понимании процессов возникновения Вселенной, что помогает точнее моделировать эволюцию ранней Вселенной и даёт новую опору для экспериментов на коллайдерах, где учёные пытаются воссоздать условия Большого взрыва.