800 миллиардов по Цельсию: в лаборатории воспроизвели первые микросекунды после Большого взрыва

КХД-материя в природе образуется при столкновении нейтронных звёзд.

Иллюстрация Carl Knox, OzGrav ARC Centre of Excellence.

В эксперименте материя достигла экстремальной температуры и плотности.

Иллюстрация HADES Collaboration.

Физики экспериментально воспроизвели и изучили состояние вещества, характерное для первых микросекунд жизни Вселенной, а сегодня возникающее при столкновениях нейтронных звёзд.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature коллаборацией HADES.

Когда с момента Большого взрыва прошло около десяти микросекунд, температура достигала сотен миллиардов градусов по Цельсию. В таких условиях протоны и нейтроны (частицы, ныне составляющие атомные ядра) существовать не могут. Вместо них наблюдается своеобразная "каша" из их "строительных блоков" – кварков и глюонов.

Вещество в подобном состоянии называется квантово-хромодинамической материей, или КХД-материей (QCD matter). Квантовая хромодинамика – это наука о сильном взаимодействии, то есть взаимодействии кварков и частиц, составленных из кварков, переносчиками и участниками которого являются глюоны.

Изучение такого вещества проливает свет не только на историю рождения Вселенной и природу космических катаклизмов вроде столкновения нейтронных звёзд, но и на глубинное строение материи. Но получить подобную материю в эксперименте чрезвычайно трудно. Даже в центре термоядерного взрыва температура на несколько порядков меньше.

Поэтому для получения результатов авторы использовали ускорительный комплекс GSI/FAIR в Институте тяжёлых ионов в Германии. Ускоритель разгонял ядра атомов тяжёлых элементов (например, золота) и сталкивал их на околосветовых скоростях. Температура при таком столкновении достигала 800 миллиардов градусов по Цельсию, и ядра превращались в КХД-материю. Учёные анализировали её излучение с помощью спектрометра HADES.

В эксперименте материя была разогрета до экстремальной температуры и заполучила удивительную плотность.

"Мы изучали электромагнитное излучение, создаваемое "огненными шарами", образовавшимися при столкновении, – цитирует Phys.org представителя пресс-службы HADES Иоахима Штрота (Joachim Stroth). – Это излучение может многое рассказать нам о свойствах [их] составляющих. Однако это трудное измерение, так как "огненные шары" живут очень короткое время, 10-22 секунды, и излучение испускается редко".

КХД-материя испускала виртуальные фотоны, немедленно превращавшиеся в пары из электронов и позитронов. Такие пары, взаимно уничтожаясь, испускали уже реальные фотоны, то есть электромагнитное излучение. Его характеристики и изучали физики.

Согласно результатам измерений, плотность образовавшейся материи в несколько раз превосходила плотность атомного ядра (а это, между прочим, около ста миллиардов тонн в кубическом сантиметре).

"Мы обнаружили, что при таких условиях строительные блоки материи существенно изменяются", – говорит Штрот.

Другими словами, кварки и глюоны в КХД-материи ведут себя иначе, чем в атомных ядрах. Зато учёные обнаружили сходство со свойствами материи, образовавшейся при столкновении нейтронных звёзд, недавно изученном астрофизиками.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о рекордной температуре, достигнутой на Большом адронном коллайдере.