Група дослідників з Італії здійснила прорив у вивченні етапів формування Всесвіту, вперше докладно описавши поведінку кварк-глюонної плазми безпосередньо після Великого вибуху. Це унікальний стан речовини, який, за підрахунками науковців, тривав лише кілька мікросекунд після народження Всесвіту.
Про це розповідає ProIT
Механізми формування матерії після Великого вибуху
Після короткочасного існування кварк-глюонної плазми розпочалося охолодження Всесвіту. Саме на цьому етапі елементарні частинки — кварки та глюони — об’єдналися у баріони, до яких належать протони та нейтрони. Одночасно формувалися і матерія, і антиматерія, проте антиматерія швидко анігілювала з матерією, породжуючи електромагнітне випромінювання. В результаті цього процесу у Всесвіті залишилася переважно матерія.
Дослідження стану кварк-глюонної плазми тривало десятиліттями, але його ускладнювала надзвичайна складність сильної ядерної взаємодії між кварками. Саме ця взаємодія не піддається традиційним математичним методам опису, оскільки постійна зв’язку між частинками занадто велика, а виправлення вищого порядку не скорочуються, що робить розрахунки нестабільними та неконтрольованими.
Новий підхід до моделювання раннього Всесвіту
Італійські науковці використали метод граткової квантової хромодинаміки — це спосіб подання простору-часу як чотиривимірної «шахівниці», на клітинках якої розташовані частинки, а їх взаємодії обчислюються покроково. Однак цей підхід також має обмеження: попередні моделювання дозволяли досягати температур плазми лише нижче одного гігаелектронвольта, що значно менше за електрослабкий фазовий перехід (близько 100 ГеВ) — момент, коли елементарні частинки отримували масу.
Щоб подолати ці обмеження, дослідники поєднали граткову квантову хромодинаміку з методом Монте-Карло, який дозволяє проводити численні випадкові вибірки для вирішення складних задач. У ході роботи науковці моделювали спрощену версію раннього Всесвіту, що складався із трьох типів майже безмасових кварків. Навіть незначна маса спокою кварків (менше 500 МеВ/c²) при надвисоких температурах (кілька ГеВ) стає незначною порівняно з повною енергією частинок.
Розрахунки охопили широкий діапазон температур — від 3 ГеВ до 165 ГеВ, тобто до електрослабкого фазового переходу. Завдяки цьому вдалося сформулювати точну математичну модель щільності ентропії кварк-глюонної плазми, яка описує її поведінку у найперші миті після Великого вибуху.
Важливим відкриттям стало те, що навіть за екстремальних температур кварки та глюони залишалися у сильній взаємодії і не вели себе як вільні частинки. Це означає, що сильна взаємодія відігравала ключову роль у формуванні Всесвіту значно раніше, ніж припускали дослідники у попередніх роботах.
Науковці зазначають, що стан кварк-глюонної плазми у найперші миті Всесвіту тривав усього кілька мікросекунд. Після цього Всесвіт почав охолоджуватись. На цьому етапі кварки та глюони об’єдналися в баріони, такі як протони та нейтрони. При цьому одночасно відбувалося асиметричне утворення як матерії, яка превалювала, так і антиматерії, які взаємно анігілювали, перетворюючись на електромагнітне випромінювання.
Результати цього масштабного дослідження були опубліковані у журналі Physical Review Letters та відкривають нові можливості для розуміння еволюції Всесвіту у перші мікросекунди його існування.
