Як народився Всесвіт: вчені розрахували першу мить після Великого вибуху

Група науковців з Італії змогла точно описати поведінку кварк-глюонної плазми у перші миті після Великого вибуху і утворення Всесвіту. 

Науковці зазначають, що стан кварк-глюонної плазми у найперші миті Всесвіту тривав усього кілька мікросекунд. Після цього Всесвіт почав охолоджуватись. На цьому етапі кварки та глюони об’єдналися в баріони, такі як протони та нейтрони. При цьому одночасно відбувалося асиметричне утворення як матерії, яка превалювала, так і антиматерії, які взаємно анігілювали, перетворюючись на електромагнітне випромінювання.

Протягом багатьох десятиліть фізики намагались точно описати стан кварк-глюонної плазми, однак проблема полягала у тому, що сильна ядерна взаємодія, яка зв’язує кварки один з одним, занадто складна для її опису традиційним математичним апаратом.

Групі дослідників з Італії все ж вдалось обчислити докладно рівняння стану цієї кварк-глюонної плазми. Науковці вирахували співвідношення між температурою, тиском та енергією у цій плазмі. Ключовою проблемою була сильна ядерна взаємодія, яка веде себе аномально і непердбачувано в умовах, що відповідають стану перших митей Всесвіту.

Теорія збурень, яка покроково обчислює взаємодії за допомогою діаграм Фейнмана, у даному випадку не працює, оскільки константа зв’язку сильної взаємодії між частинками не є малою. Це означає, що виправлення вищого порядку не скорочуються і математичний апарат стає неконтрольованим. 

Для вирішення цієї проблеми група дослідників використала метод квантової хромодинаміки на гратціце квантова хромодинаміка, що формулюється на дискретній евклідовій просторово-часовій решітці.. Це можна уявити собі як чотиривимірну шахівницю, яка являє простір-час. На кожній її клітинці існують частинки, а взаємодію між ними можно обчислити покроково.

Та навіть такий метод має обмеження. Попередні результати моделювання з використанням граткової квантової хромодинаміки продемонстрували здатність досягати температур плазми нижче одного гігаелектронвольта, що набагато нижче електрослабкого фазового переходу ( близько 100 ГеВ) у той момент, коли частинки отримували масу. 

Таким чином науковці вирішили об’єднати квантову хромодинаміку на гратці з моделюванням Монте-Карло — методом, який використовує випадкову вибірку для вирішення складних завдань. Вони зосередилися на спрощеній версії Всесвіту, заповненого трьома типами практично безмасових кварків. Це означає, що навіть якщо кварки мають крихітні маси спокою (менше 500 МеВ/c²), при надзвичайно високих температурах (декілька ГеВ) ці маси незначно малі порівняно з повною енергією.

Це точно імітує умови упродовж перших кількох мілісекунд після Великого вибуху. Потім вони провели розрахунки в широкому діапазоні температур, від трьох ГеВ до 165 ГеВ, перед електрослабким переходом. Це дозволило їм створити математичну формулу, що описує щільність ентропії кварк-глюонної плазми.

Науковцям вдалось виявити цікаву річ: навіть за дуже високих температур кварки та глюони у плазмі не поводилися як вільні частинки. Сильна взаємодія все ще домінувала, почавши відігравати ключову роль у формуванні Всесвіту набагато раніше , ніж припускали фізики.

Всесвіт зникне набагато раніше, ніж вважалося — вчені уточнили, коли

Результати дослідження були опубліковані у журналі Physical Review Letters

Джерело: Interesting Engineering