Ученые ЦЕРН обнаружили, что материя ранней Вселенной вела себя как жидкость

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой чрезвычайно горячую и плотную среду. Она состояла из плазмы кварков и глюонов — фундаментальных частиц, из которых позднее сформировались водород, гелий и все известное вещество. Это состояние нередко называют «первородным бульоном», и новые исследования показывают, что такое определение оказалось довольно точным.

Изучать самые ранние этапы существования Вселенной непросто. Часть информации ученые получают с помощью теоретических расчетов и анализа соотношения химических элементов, например водорода и гелия. Однако моделирование имеет ограничения. На Земле не существует вещества с такой плотностью и температурой, какие были характерны для первых мгновений после Большого взрыва.

Приблизиться к этим условиям помогают эксперименты в физике элементарных частиц. Исследователи из ЦЕРН провели серию столкновений тяжелых ионов. Частицы разгоняются почти до скорости света и при столкновении создают кратковременную кварк-глюонную плазму — состояние материи, напоминающее «первородный бульон». Оно существует доли секунды, поэтому наблюдать его напрямую невозможно. Ученые анализируют поток частиц, возникающий после столкновения, что позволяет косвенно изучать свойства плазмы.

В новом исследовании внимание сосредоточили на взаимодействии Z-бозонов, частиц, переносящих слабое взаимодействие. Полученные результаты сравнили с несколькими моделями кварк-глюонной плазмы. Наиболее точное совпадение дала модель, согласно которой плазма ведет себя как жидкость.

Ученые обнаружили признаки волновых следов в плазменном поле. Подобные следы возникают, когда объект движется по поверхности воды и образует волны. Это явление характерно именно для жидкой среды. Анализ показал, что частицы в кварк-глюонной плазме создают похожие волновые структуры, что указывает на текучее поведение материи.

Понимание того, что ранняя Вселенная напоминала густую жидкую среду, может помочь объяснить процессы, происходившие в первые мгновения после Большого взрыва. Поведение ударных волн в жидкостях отличается от их движения в газах или твердых телах, а это могло повлиять на формирование первых атомов, а также на зарождение галактик и черных дыр.

В дальнейших исследованиях ученые планируют уточнить характеристики обнаруженных волновых следов, их скорость и размеры. Эти данные помогут определить свойства кварк-глюонной плазмы, включая ее плотность и вязкость, и лучше понять, насколько «жидким» было состояние материи в ранней Вселенной.