Итальянские физики сделали шаг к разгадке первых мгновений Вселенной, рассчитав поведение кварк-глюонной плазмы — сверхгорячего «супа» из кварков и глюонов, существовавшего через микросекунды после Большого взрыва. Их исследование, опубликованное в Physical Review Letters, показывает, как сильная ядерная сила управляла этим хаосом даже при температурах в триллионы градусов.
Что выяснили ученые
Кварк-глюонная плазма — это состояние материи, где кварки (строительные блоки протонов и нейтронов) и глюоны (их «клей») свободно перемещались в первые микросекунды после Большого взрыва при температурах до 20 триллионов °C (≈100 ГэВ). Когда Вселенная остыла, эти частицы слились, образуя атомы. Но как именно вела себя плазма, оставалось загадкой из-за сложности сильной ядерной силы — взаимодействия, связывающего кварки.
Ранее физики не могли точно описать плазму при высоких температурах, так как стандартные методы (теория возмущений) ломались: сильная сила слишком «дикая», а ее константа связи велика, что делает расчеты хаотичными. Метод решеточной квантовой хромодинамики (КХД) — моделирование пространства-времени как 4D-шахматной доски — тоже был ограничен температурами ниже 1 ГэВ (11,6 трлн °C).
Итальянская команда применила новый подход, объединив решеточную квантовую хромодинамику с моделированием Монте-Карло, где случайные выборки решают сложные задачи. Они смоделировали плазму с тремя типами почти безмассовых кварков в диапазоне температур от 3 до 165 ГэВ — до электрослабого перехода, когда частицы обрели массу. Это позволило создать уравнение состояния плазмы, описывающее связь между температурой, давлением и энергией.
Ученые минимизировали «артефакты решетки» — ошибки от дискретной сетки, уменьшив расстояние между узлами почти до нуля.
«Артефакты решетки оказываются довольно мягкими. Результаты показали, что даже при экстремальных температурах кварки и глюоны не были свободными: мощная сила продолжала их связывать, играя ключевую роль раньше, чем считалось», — отметили авторы.
Важность открытия
Это исследование дает самую подробную картину первых микросекунд Вселенной, уточняя, как сильная сила формировала материю. Плазма вела себя не как «газ» свободных частиц, а как сложная система, где кварки оставались под контролем глюонов. Это меняет модели эволюции космоса и подтверждает, что сильное взаимодействие доминировало даже в экстремальных условиях.
Открытие также демонстрирует силу решеточной квантовой хромодинамики с Монте-Карло, позволяя физикам заглянуть туда, где традиционная математика бессильна.
«Численные результаты могут быть улучшены с большими вычислительными ресурсами. Это шаг к пониманию фундаментальных законов физики, которые могут объяснить нам, почему Вселенная состоит из материи, а не антиматерии», — заключили исследователи.
Ученые отмечают, что исследование открывает путь к более точным моделям Большого взрыва и экспериментам на коллайдерах, таких как RHIC, где воссоздают кварк-глюонную плазму. Будущие вычисления с мощными суперкомпьютерами могут снизить погрешность на 20–30 %, уточнив роль других сил (например, электрослабой) в ранней Вселенной.