Происхождение материи в очень ранней Вселенной: новое исследование

Ранняя Вселенная была в 250 000 раз горячее солнечного ядра. Это слишком горячо, чтобы могли образоваться протоны и нейтроны, составляющие обычную материю. Ученые воссоздают условия ранней Вселенной в ускорителях частиц, сталкивая атомы друг с другом почти со скоростью света.

Измерение образующегося потока частиц позволяет ученым понять, как образовалась материя. Частицы, которые измеряют ученые, могут образовываться разными способами: из первоначального супа кварков и глюонов или в результате более поздних реакций.

Эти более поздние реакции начались через 0,000001 секунды после Большого взрыва, когда составные частицы, состоящие из кварков, начали взаимодействовать друг с другом.

Новое исследование показало, что до 70% некоторых измеренных частиц происходят от этих более поздних реакций, а не от реакций, подобных реакциям в ранней Вселенной.

Это открытие улучшает научное понимание происхождения материи. Оно помогает определить, сколько материи вокруг нас образовалось в первые несколько долей секунды после Большого взрыва, а сколько материи образовалось в результате более поздних реакций по мере расширения Вселенной.

Такой результат подразумевает, что большие количества материи вокруг нас образовались позже, чем ожидалось. Чтобы понять результаты экспериментов на коллайдере, ученые должны не учитывать частицы, образовавшиеся в более поздних реакциях.

Только те, что образовались в субатомном супе, раскрывают ранние состояния Вселенной. Этот новый расчет показывает, что количество измеренных частиц, образующихся в реакциях, намного выше, чем ожидалось.

В 1990-х годах физики поняли, что определенные частицы в значительном количестве образуются в результате более поздних реакций, следующих за начальной фазой формирования Вселенной. Частицы, называемые D-мезонами, могут взаимодействовать с образованием редкой частицы — чармония (состоит из очарованного кварка и очарованного антикварка).

У ученых не было единого мнения о том, насколько важен этот эффект. Поскольку чармоний редок, его трудно измерить. Однако недавние эксперименты предоставили данные о том, сколько чармония и D-мезонов производят коллайдеры.

Физики из Йельского университета и Университета Дьюка использовали новые данные для расчета силы этого эффекта. Он оказался гораздо более значительным, чем ожидалось. Более 70% измеренного чармония могло образоваться в более поздних реакций, а не из раннего кварк-глюонного супа.

Когда горячий суп из субатомных частиц остывает, он расширяется, образуя «огненный шар». Все это происходит менее чем за одну сотую времени, которое требуется свету, чтобы пересечь атом. Поскольку это происходит так быстро, ученые не уверены, как именно расширяется этот огненный шар.

Однако результаты нового исследования демонстрируют, что ученым необязательно знать подробности этого расширения, чтобы раскрыть механизмы образования новой материи. Значительное количество субатомных частиц может производиться в результате столкновений между другими частицами независимо от этого. Полученный  результат приближает ученых на один шаг к пониманию происхождения материи.

Исследование опубликовано в журнале Physics Letters B.