Вчені відтворили першу мілісекунду після Великого вибуху: що побачили

Потужні зіткнення часток на Великому адронному колайдері (ВАК) дозволили виявити ледь помітний "слід", який залишає кварк, проходячи крізь ядерну речовину з температурою у трильйони градусів. Це свідчить про те, що первинна "космічна юшка" могла бути буквально більш схожою на рідину, ніж вважалося раніше.

Відео дня

Про нові результати колаборації "Компактний мюонний соленоїд" (CMS) та ВАК написало видання Live Science. Ці результати демонструють перші переконливі докази тонкого "провалу" у народженні частинок позаду високоенергетичного кварка, коли той рухається крізь кварк-глюонну плазму – краплю первинної матерії, яка, ймовірно, заповнювала Всесвіт у перші мікросекунди після Великого вибуху. Опис цього дослідження був опублікований 25 грудня 2025 року в журналі Physics Letters B. Робота відкриває інтригуючий погляд на найперші моменти існування Всесвіту.

Відтворення умов раннього Всесвіту в лабораторії

Коли всередині ВАК важкі атомні ядра зіштовхуються на швидкостях, близьких до швидкості світла, вони на мить переходять в екзотичний стан, відомий як кварк-глюонна плазма. У цьому екстремальному середовищі щільність і температура настільки високі, що звична структура атома більше не зберігається, пояснила електронною поштою Live Science Ї Чень, доцентка фізики Університету Вандербільта і учасниця команди CMS. Натомість усі ядра ніби накладаються одне на одне, утворюючи так звану кварк-глюонну плазму, де кварки та глюони можуть рухатися поза межами ядер. "Вони поводяться радше як рідина", – додала дослідниця.

Ця крапля плазми надзвичайно мала – приблизно 10⁻¹⁴ метра в діаметрі, тобто у 10 000 разів менша за атом – і зникає майже миттєво. Проте в цій короткочасній фазі кварки та глюони, які є носіями сильної ядерної взаємодії, що утримує атомні ядра разом, рухаються разом, більше нагадуючи надгарячу рідину, ніж звичайний газ частинок.

Фізиків цікавить, як енергійні частинки взаємодіють із цим незвичним середовищем. "Ми хочемо зрозуміти, як різні об’єкти взаємодіють із маленькою краплею рідини, що виникає під час зіткнень. Наприклад, як високоенергетичний кварк проходить крізь цю гарячу рідину?", – зазначила Чень.

Теорія передбачає, що кварк має залишати за собою помітний слід у плазмі, подібно до того, як човен, розтинаючи воду, створює хвилю. "Вода штовхається вперед разом із човном, але позаду ми очікуємо невелике зниження рівня, бо вода відтісняється", – пояснила Чень.

На практиці ж відокремити "човен" від "води" виявилося непросто. Крапля плазми дуже мала, а експериментальна роздільна здатність обмежена. Попереду кварка взаємодія з плазмою надто інтенсивна, щоб легко зрозуміти, який сигнал звідки походить. Натомість позаду нього можливий "провал" має бути властивістю самої плазми. "Тож ми прагнемо знайти цей невеликий спад позаду", – додала Чень.

Чистий інструмент – Z-бозони

Щоб ізолювати цей слід, команда використала особливу частинку-партнера – Z-бозон, переносник слабкої ядерної взаємодії – однієї з чотирьох фундаментальних сил природи. У деяких зіткненнях Z-бозон і високоенергетичний кварк народжуються разом і розлітаються в протилежні боки.

Саме тут Z-бозон відіграє ключову роль. "Z-бозони відповідають за слабку взаємодію, і для плазми вони практично невидимі – вони просто вилітають і зникають зі сцени", – пояснила Чень. На відміну від кварків і глюонів, вони майже не взаємодіють із плазмою, залишаючи зону зіткнення неушкодженими й точно вказуючи на початковий напрямок і енергію кварка.

Такий підхід дозволив фізикам зосередитися саме на кварку, не хвилюючись, що його "партнер" спотворюється середовищем. Z-бозон став своєрідною міткою, яка допомогла шукати тонкі зміни в утворенні частинок позаду кварка.

Команда CMS виміряла кореляції між Z-бозонами і адронами – складеними частинками з кварків – що виникали після зіткнення. Аналізуючи кількість адронів у напрямку, протилежному руху кварка, вчені змогли перевірити наявність передбаченого сліду.

Малий, але важливий сигнал

Ефект виявився дуже тонким. "У середньому в задньому напрямку ми бачимо зміну менш ніж на 1% у кількості плазми. Це дуже малий ефект, і частково тому його так довго не вдавалося підтвердити експериментально", – зазначила Чень.

Втім саме таке пригнічення менш ніж на 1% і відповідає очікуваному сигналу від кварка, який передає енергію та імпульс плазмі, залишаючи за собою зону зменшеної щільності. Команда повідомляє, що це перший випадок чіткого виявлення такого "провалу" в подіях із міткою Z-бозона.

Форма і глибина цього спаду містять інформацію про властивості плазми. Повертаючись до аналогії, Чень зазначила: якщо вода легко тече, заглиблення за човном швидко зникає. Якщо ж середовище поводиться радше як мед, западина зберігається довше. "Тож аналіз того, як виглядає цей провал, дає нам інформацію про саму плазму без ускладнень, пов’язаних із "човном"", – пояснила вона.

Погляд у глибини раннього Всесвіту

Результати мають і космологічне значення. Вважається, що незабаром після Великого вибуху Всесвіт був заповнений кварк-глюонною плазмою, яка згодом охолола й перетворилася на протони, нейтрони, а з часом – на атоми.

"Цей період неможливо безпосередньо спостерігати телескопами. Тоді Всесвіт був непрозорим", – пояснила Чень. За її словами, зіткнення важких іонів дають "крихітний погляд на те, як поводився Всесвіт у ту епоху".

Зафіксований провал – це лише початок нового напрямку досліджень. "Найцікавіше в цій роботі те, що вона відкриває новий шлях до глибшого розуміння властивостей плазми. Коли ми накопичимо більше даних, зможемо дослідити цей ефект точніше й дізнатися більше про природу плазми вже в найближчому майбутньому", – підсумувала Чень.

Раніше OBOZ.UA розповідав, що вченим вдалося зафіксувати одну з найбільш енергетичних частинок, яка прилетіла на Землю з космосу, рухаючись майже зі швидкістю світла.

Підписуйтесь на канали OBOZ.UA в Telegram і Viber, щоб бути в курсі останніх подій.