Физики нашли новый способ заглянуть внутрь вещества, из которого состояла Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва. Учёные выяснили, что тяжёлые кварки движутся в раскалённой плазме совсем не так, как предсказывали привычные модели. Неожиданная особенность может помочь раскрыть устройство первой жидкости Вселенной и понять, как в ней взаимодействовали элементарные частицы.
В первые микросекунды после Большого взрыва температура Вселенной достигала триллионов градусов. Привычных атомов, протонов и нейтронов ещё не существовало. Вместо них пространство заполняла раскалённая смесь кварков и глюонов, мельчайших частиц, из которых позднее сформировалось обычное вещество. Физики называют подобное состояние кварк-глюонной плазмой. Несмотря на колоссальную температуру, плазма ведёт себя скорее как жидкость, чем как газ.
Чтобы изучать древнейшее вещество, исследователи сталкивают атомные ядра, разогнанные почти до скорости света. При столкновении на ничтожную долю секунды возникает крошечная капля плазмы размером примерно с атомное ядро. Увидеть её внутреннее устройство напрямую невозможно, поэтому физики изучают частицы, которые проходят через раскалённую среду. Особенно полезны тяжёлые кварки: окружающие частицы постоянно толкают их, меняя скорость и направление движения.
Похожее явление ещё в 1905 году объяснил Альберт Эйнштейн. Учёный разобрался, почему крошечные частицы пыльцы беспорядочно движутся в воде, хотя сама жидкость кажется неподвижной. Оказалось, молекулы непрерывно ударяют по плавающим частицам с разных сторон. Такое движение назвали броуновским, а разработанную Эйнштейном математическую модель позднее стали применять и для изучения кварк-глюонной плазмы.
Однако у классической теории обнаружилось слабое место. При обычных условиях частица получает множество небольших случайных толчков, а сильные удары происходят крайне редко. Вероятность резкого ускорения или замедления при этом подчиняется определённому распределению. Но когда кварк летит почти со скоростью света, привычные расчёты перестают точно описывать его движение. Физики знали о проблеме около 20 лет, однако долго не могли объяснить, какие взаимодействия упускает старая модель.
Авторы новой работы рассчитали движение тяжёлого кварка через среду из кварков и глюонов с учётом сильного ядерного взаимодействия. Сначала исследователи выбрали сравнительно простую модель, в которой частицы слабо влияют друг на друга. Затем вычислили, насколько часто пролетающий кварк должен получать толчки разной силы и как меняется его импульс.
Результат оказался неожиданным. Небольшие изменения движения действительно подчинялись привычной теории, но сильные толчки встречались заметно чаще, чем предполагали прежние расчёты. Причём воздействия оказались неравноценными: резкое замедление кварка происходило с большей вероятностью, чем столь же сильное ускорение относительно ожидаемого движения.
Именно редкие сильные толчки могут рассказать о плазме больше, чем миллионы слабых столкновений. Частота резких изменений импульса зависит от того, как частицы взаимодействуют друг с другом внутри среды. Если научиться выделять подобные события в экспериментальных данных, можно будет точнее определять свойства вещества, существовавшего вскоре после рождения Вселенной.
Исследователи проверили расчёты на плазме с другим составом частиц и снова обнаружили характерную несимметричность. Более того, похожая закономерность уже встречалась в прежних теоретических работах, посвящённых средам с гораздо более сильным взаимодействием частиц. По мнению физиков, частые сильные толчки могут быть общим свойством раскалённой плазмы независимо от особенностей её внутреннего устройства.
Авторы также предполагают, что частицы первичной Вселенной взаимодействовали друг с другом сильнее, чем следует из упрощённого описания броуновского движения. Такая картина согласуется с представлением о кварк-глюонной плазме как о чрезвычайно текучей жидкости, в которой частицы влияют на движение друг друга.
Пока физики получили теоретическое предсказание, которое ещё предстоит проверить экспериментально. Следующий шаг состоит в сравнении новых расчётов с результатами столкновений тяжёлых атомных ядер в ускорителях. Если характерные отклонения движения кварков удастся обнаружить, учёные получат ещё один способ восстановить свойства материи, существовавшей задолго до появления первых атомов.