Как родилась Вселенная: ученые рассчитали первое мгновение после Большого взрыва

02 червня 2025 р. 10:35

02 червня 2025 р. 10:35

Группа ученых из Италии смогла точно описать поведение кварк-глюонной плазмы в первые мгновения после Большого взрыва и образования Вселенной.

Ученые отмечают, что состояние кварк-глюонной плазмы в самые первые мгновения Вселенной длилось всего несколько микросекунд. После этого Вселенная начала охлаждаться. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как превалирующей материи, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в электромагнитное излучение.

В течение многих десятилетий физики пытались точно описать состояние кварк-глюонной плазмы, однако проблема заключалась в том, что сильное ядерное взаимодействие, которое связывает кварки друг с другом, слишком сложно для его описания традиционным математическим аппаратом.

Группе исследователей из Италии все же удалось вычислить подробно уравнение состояния этой кварк-глюонной плазмы. Ученые вычислили соотношение между температурой, давлением и энергией в этой плазме. Ключевой проблемой было сильное ядерное взаимодействие, которое ведет себя аномально и непредсказуемо в условиях, соответствующих состоянию первых мгновений Вселенной .

Теория возмущений, которая пошагово вычисляет взаимодействия с помощью диаграмм Фейнмана, в данном случае не работает, поскольку константа связи сильного взаимодействия между частицами не является малой. Это означает, что исправления высшего порядка не сокращаются и математический аппарат становится неконтролируемым.

Но даже такой метод имеет ограничения. Предварительные результаты моделирования с использованием решеточной квантовой хромодинамики продемонстрировали способность достигать температур плазмы ниже одного гигаэлектронвольт, что намного ниже электрослабого фазового перехода (около 100 ГэВ) в тот момент, когда частицы получали массу.

Таким образом ученые решили объединить квантовую хромодинамику на решетке с моделированием Монте-Карло — методом, который использует случайную выборку для решения сложных задач. Они сосредоточились на упрощенной версии Вселенной, заполненной тремя типами практически безмассовых кварков. Это означает, что даже если кварки имеют крошечные массы покоя (менее 500 МэВ/c²), при чрезвычайно высоких температурах (несколько ГэВ) эти массы незначительно малы по сравнению с полной энергией.

Это точно имитирует условия на протяжении первых нескольких миллисекунд после Большого взрыва. Затем они провели расчеты в широком диапазоне температур, от трех ГэВ до 165 ГэВ, перед электрослабым переходом. Это позволило им создать математическую формулу, описывающую плотность энтропии кварк-глюонной плазмы.

Ученым удалось обнаружить интересную вещь: даже при очень высоких температурах кварки и глюоны в плазме не вели себя как свободные частицы. Сильное взаимодействие все еще доминировало, начав играть ключевую роль в формировании Вселенной намного раньше, чем предполагали физики.

Вселенная исчезнет гораздо раньше, чем считалось — ученые уточнили, когда

Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters

Источник: Interesting Engineering

Наука