Ученые воссоздали первую миллисекунду после Большого взрыва: что увидели

Мощные столкновения частиц на Большом адронном коллайдере (БАК) позволили обнаружить едва заметный "след", который оставляет кварк, проходя сквозь ядерное вещество с температурой в триллионы градусов. Это свидетельствует о том, что первичный "космический бульон" мог быть буквально более похожим на жидкость, чем считалось ранее.

Видео дня

О новых результатах коллаборации "Компактный мюонный соленоид" (CMS) и ВАК написало издание Live Science. Эти результаты демонстрируют первые убедительные доказательства тонкого "провала" в рождении частиц позади высокоэнергетического кварка, когда тот движется сквозь кварк-глюонную плазму – каплю первичной материи, которая, вероятно, заполняла Вселенную в первые микросекунды после Большого взрыва. Описание этого исследования было опубликовано 25 декабря 2025 года в журнале Physics Letters B. Работа открывает интригующий взгляд на самые первые моменты существования Вселенной.

Воспроизведение условий ранней Вселенной в лаборатории

Когда внутри БАК тяжелые атомные ядра сталкиваются на скоростях, близких к скорости света, они на мгновение переходят в экзотическое состояние, известное как кварк-глюонная плазма. В этой экстремальной среде плотность и температура настолько высоки, что привычная структура атома больше не сохраняется, объяснила по электронной почте Live Science Йи Чэнь, доцент физики Университета Вандербильта и участница команды CMS. Вместо этого все ядра будто накладываются друг на друга, образуя так называемую кварк-глюонную плазму, где кварки и глюоны могут двигаться за пределами ядер. "Они ведут себя скорее как жидкость", – добавила исследовательница.

Эта капля плазмы чрезвычайно мала – примерно 10-¹⁴ метра в диаметре, то есть в 10 000 раз меньше атома – и исчезает почти мгновенно. Однако в этой кратковременной фазе кварки и глюоны, которые являются носителями сильного ядерного взаимодействия, удерживающего атомные ядра вместе, движутся вместе, больше напоминая сверхгорячую жидкость, чем обычный газ частиц.

Физиков интересует, как энергичные частицы взаимодействуют с этой необычной средой. "Мы хотим понять, как различные объекты взаимодействуют с маленькой каплей жидкости, возникающей при столкновениях. Например, как высокоэнергетический кварк проходит сквозь эту горячую жидкость?", – отметила Чэнь.

Теория предполагает, что кварк должен оставлять за собой заметный след в плазме, подобно тому, как лодка, рассекая воду, создает волну. "Вода толкается вперед вместе с лодкой, но позади мы ожидаем небольшое снижение уровня, потому что вода оттесняется", – объяснила Чэнь.

На практике же отделить "лодку" от "воды" оказалось непросто. Капля плазмы очень мала, а экспериментальное разрешение ограничено. Впереди кварка взаимодействие с плазмой слишком интенсивное, чтобы легко понять, какой сигнал откуда происходит. Зато позади него возможный "провал" должен быть свойством самой плазмы. "Поэтому мы стремимся найти этот небольшой спад позади", – добавила Чэнь.

Чистый инструмент – Z-бозоны

Чтобы изолировать этот след, команда использовала особую частицу-партнера – Z-бозон, переносчик слабого ядерного взаимодействия – одной из четырех фундаментальных сил природы. В некоторых столкновениях Z-бозон и высокоэнергетический кварк рождаются вместе и разлетаются в противоположные стороны.

Именно здесь Z-бозон играет ключевую роль. "Z-бозоны отвечают за слабое взаимодействие, и для плазмы они практически невидимы – они просто вылетают и исчезают со сцены", – объяснила Чэнь. В отличие от кварков и глюонов, они почти не взаимодействуют с плазмой, оставляя зону столкновения неповрежденными и точно указывая на начальное направление и энергию кварка.

Такой подход позволил физикам сосредоточиться именно на кварке, не волнуясь, что его "партнер" искажается средой. Z-бозон стал своеобразной меткой, которая помогла искать тонкие изменения в образовании частиц позади кварка.

Команда CMS измерила корреляции между Z-бозонами и адронами – составными частицами из кварков – возникавшими после столкновения. Анализируя количество адронов в направлении, противоположном движению кварка, ученые смогли проверить наличие предполагаемого следа.

Малый, но важный сигнал

Эффект оказался очень тонким. "В среднем в заднем направлении мы видим изменение менее чем на 1% в количестве плазмы. Это очень малый эффект, и отчасти поэтому его так долго не удавалось подтвердить экспериментально", – отметила Чэнь.

Впрочем именно такое подавление менее чем на 1% и соответствует ожидаемому сигналу от кварка, который передает энергию и импульс плазме, оставляя за собой зону уменьшенной плотности. Команда сообщает, что это первый случай четкого обнаружения такого "провала" в событиях с меткой Z-бозона.

Форма и глубина этого спада содержат информацию о свойствах плазмы. Возвращаясь к аналогии, Чэнь отметила: если вода легко течет, углубление за лодкой быстро исчезает. Если же среда ведет себя скорее как мед, впадина сохраняется дольше. "Поэтому анализ того, как выглядит этот провал, дает нам информацию о самой плазме без осложнений, связанных с "лодкой"", – объяснила она.

Взгляд в глубины ранней Вселенной

Результаты имеют и космологическое значение. Считается, что вскоре после Большого взрыва Вселенная была заполнена кварк-глюонной плазмой, которая впоследствии остыла и превратилась в протоны, нейтроны, а со временем – на атомы.

"Этот период невозможно непосредственно наблюдать телескопами. Тогда Вселенная была непрозрачной", – объяснила Чэнь. По ее словам, столкновения тяжелых ионов дают "крошечный взгляд на то, как вела себя Вселенная в ту эпоху".

Зафиксированный провал – это лишь начало нового направления исследований. "Самое интересное в этой работе то, что она открывает новый путь к более глубокому пониманию свойств плазмы. Когда мы накопим больше данных, сможем исследовать этот эффект точнее и узнать больше о природе плазмы уже в ближайшем будущем", – подытожила Чэнь.

Ранее OBOZ.UA рассказывал, что ученым удалось зафиксировать одну из самых энергетических частиц, которая прилетела на Землю из космоса, двигаясь почти со скоростью света.

Подписывайтесь на каналы OBOZ.UA в Telegram и Viber, чтобы быть в курсе последних событий.