Легкие атомы проливают свет на первые мгновения Вселенной после Большого Взрыва

В начале времен, в первые микросекунды после Большого взрыва, вся Вселенная представляла собой невероятно горячую и плотную субстанцию, которая кардинально отличалась от всего, что нас окружает сегодня. Физики из Института Нильса Бора в сотрудничестве с коллегами по международному проекту ALICE, работающему в ЦЕРНе, сделали важный шаг к пониманию этого очень далекого прошлого. Им удалось воссоздать крошечные капли первобытной материи, сталкивая не массивные ядра, как это делалось ранее, а гораздо более легкие атомы кислорода и неона. Результаты этого прорывного исследования были опубликованы в научном журнале Physical Review Letters, открывая новую страницу в изучении самых основ мироздания.

Суть эксперимента заключается в том, чтобы разогнать атомные ядра до скоростей, близких к световой, и столкнуть их внутри гигантского детектора. При таком столкновении на мгновение создаются условия, похожие на те, что царили во Вселенной спустя всего лишь одну миллионную долю секунды после ее рождения.

В этот момент привычные протоны и нейтроны буквально плавятся, высвобождая свои внутренние составляющие — кварки и глюоны, которые образуют так называемую кварк-глюонную плазму. Это самая ранняя и самая экстремальная форма материи, которую ученые могут воспроизвести в лабораторных условиях, чтобы заглянуть в самое начало времен.

Ключевое открытие состоит в том, что исследователям впервые удалось создать эту плазму с помощью столкновений относительно небольших ядер, таких как кислород-16 и неон-20. Раньше считалось, что для такого «маленького Большого взрыва» необходимы более тяжелые элементы, например свинец. Новый подход позволил ученым не только подтвердить существование плазмы в этих условиях, но и установить удивительную связь между формой сталкивающихся ядер и тем, как образованная ими плазма расширяется и остывает. Другими словами, геометрия атомного ядра напрямую отпечатывается на поведении частиц, которые образуются после микроскопического взрыва.

Так как капля кварк-глюонной плазмы существует ничтожно малую долю секунды, увидеть ее напрямую невозможно. Однако, изучая траектории и скорости частиц, образующихся при ее распаде, ученые могут восстановить ее форму и свойства. Этот метод похож на то, как мы судим о форме невидимого предмета по его тени. Выяснилось, что столкновения округлых ядер кислорода дают один характерный «отпечаток» расширения, а столкновения вытянутых, напоминающих кеглю для боулинга, ядер неона совсем другой. Таким образом, ученые получили новый, уникальный инструмент для изучения не только ранней Вселенной, но и внутреннего устройства атомных ядер.

Это исследование имеет глубокие корни в истории физики, уходящие в работы Оге Нильса Бора, который еще в 1975 году получил Нобелевскую премию за изучение структуры атомного ядра. Традиционно форму и организацию протонов с нейтронами внутри ядра изучали при низких энергиях, наблюдая за их колебаниями и вращением.

Теперь же физики перевернули этот подход: вместо того чтобы медленно и аккуратно исследовать ядро, они сталкивают его на максимальных скоростях и считывают его геометрию по тому, как оно взрывается. Эта методика может стать настоящим сдвигом в научной парадигме, предложив новый способ изучения элементов, структура которых до сих пор остается загадкой.

«Надеюсь, это поможет нам лучше понять, как вела себя плазма в первые мгновения существования Вселенной, и как она впоследствии эволюционировала в те формы материи, из которых состоит все вокруг нас». Ю Чжоу, руководитель эксперимента

Таким образом, перед нами предстает удивительная картина, где два, казалось бы, далеких направления науки, космология и ядерная физика, сходятся в одной точке. Один и тот же эксперимент позволяет одновременно заглянуть в самую гущу событий, происходивших при рождении Вселенной, и разобраться в тонкой структуре вещества, из которого состоим мы сами.

В ближайшее время команда ученых планирует продолжить исследования, используя еще более легкие ядра, например гелия, чтобы окончательно определить тот самый порог, при котором материя переходит в свое изначальное, плазменное состояние. Это показывает, что связь между микромиром атома и макромиром Вселенной гораздо теснее, чем мы могли предположить.

Главный итог работы заключается в том, что ученые не только успешно воспроизвели состояние первичной материи с помощью легких ядер, но и нашли принципиально новый способ изучения атомных структур по их «тени» в виде разлетающихся частиц. Это открытие приближает нас к пониманию того, как из хаоса первых мгновений возникла упорядоченная Вселенная, полная звезд и планет, а также дает физикам мощный инструмент для исследования фундаментальных сил, управляющих нашим миром на самом глубинном уровне.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях