Кварковый суп и акулы: что происходило в первую микросекунду Вселенной

Да-да, вы не ослышались. Ученые из Венгрии буквально сканируют вещество, из которого состоят атомные ядра, пытаясь понять, как оно себя вело в первые мгновения после Большого взрыва. Их инструменты — гигантские установки, разгоняющие частицы до околосветовых скоростей.

Первая микросекунда Вселенной

Сразу после рождения Вселенной было так невообразимо горячо, что даже протоны и нейтроны не могли собраться вместе. Никаких атомов, только самый фундаментальный «суп» из кварков и глюонов, мешавшихся в космическом котле.

Потом Вселенная стала остывать, и этот кипящий «бульон» начал «замерзать», порождая знакомые нам частицы. Любопытно, что этот грандиозный процесс мы можем воспроизвести в миниатюре — внутри ускорителей. Сталкивая ядра, физики создают крошечные капельки кварковой материи, которые затем, остывая, превращаются в обычное вещество. По сути, мы можем наблюдать за самым главным «фазовым переходом» в истории космоса.

Крупнейшие ускорители порождают модели начала Вселенной

Свойства кварковой материи сильно зависят от условий — давления и температуры, которые возникают при столкновениях. Чтобы изучить её во всех состояниях, нужны ускорители с разной энергией. Именно поэтому венгерские учёные работают на установках по всему миру: RHIC в США, SPS и знаменитый БАК в Швейцарии.

«Это настолько важно, что новые ускорители строятся специально для таких экспериментов, — объясняет профессор Мате Чанад. — Пожалуй, самый животрепещущий вопрос: как именно происходит переход между фазами? Именно в этот момент может скрываться так называемая критическая точка».

Конечная цель этих титанических усилий — понять сильное взаимодействие, которое управляет миром кварков внутри протонов и нейтронов. Наше нынешнее знание здесь можно сравнить со знанием человечества об электричестве во времена Вольты или Фарадея. Максвелл уже вывел свои уравнения, но до лампочек, компьютеров и интернета было ещё очень далеко. Мы сейчас находимся в похожей точке на пути к пониманию самой мощной из фундаментальных сил.

Квантовая материя и поведение хищников

Исследователи из ELTE участвовали в экспериментах на всех ключевых ускорителях. За последние годы им удалось составить детальную картину геометрии кварковой материи с помощью хитроумного метода — фемтоскопии. Он использует квантовые корреляции между рождающимися частицами, чтобы заглянуть внутрь источника их излучения с невероятной точностью.

«Долгое время в фемтоскопии господствовало предположение, что кварковая материя подчиняется нормальному, или гауссову, распределению, — говорит ведущий исследователь Мартон Надь. — Но мы обратились к процессу Леви». А вот это уже интересно! Распределение Леви описывает процессы, где возможны редкие, но гигантские скачки. Оно управляет и броуновским движением, и тем, как акула ищет добычу, и колебаниями на фондовом рынке, и даже изменениями климата.

Получается, в хаосе рождения Вселенной скрывается та же математическая упорядоченность, что и в, казалось бы, совершенно случайных явлениях вокруг нас. Поразительно, не правда ли?

Геометрия рождающегося пространства

Почему это так важно? Потому что ключевая характеристика кварковой материи — её фемтоскопический радиус — напрямую зависит от её геометрии. Если распределение не гауссово, а подчиняется процессу Леви, то все предыдущие расчёты требуют пересмотра.

«Значение «показателя Леви» может пролить свет на природу фазового перехода, — поясняет участник исследования Даниэль Кинчес. — Его изменение в зависимости от энергии столкновения даёт нам бесценные сведения о разных фазах кварковой материи».

«Уникальность нашей работы в том, что мы проводим фемтоскопические исследования сразу в четырёх экспериментах на трёх разных ускорителях, — подводит итог профессор Чанад. — Это даёт нам самую полную на сегодня картину». Картину самой первой микросекунды бытия, написанную языком математики, понятным и акулам, и биржевым трейдерам.