Физики заглянули в первые мгновения после Большого взрыва

Физики заглянули в первые мгновения после Большого взрыва
Кварки, глюоны, вихревые структуры — все эти непонятные слова вызывают множество вопросов у любознательных обывателей. Для чего физики разгоняют частицы и сталкивают их на огромной скорости? Что можно узнать, наблюдая за тем, как тяжелые ядра образуют на месте столкновения облачко кварк-глюонной плазмы? 
Недавний эксперимент, проведенный с участием российских ученых, попал на обложку журнала Nature.
Физики заглянули в первые мгновения после Большого взрыва
Международная коллаборация STAR при участии Национального исследовательского ядерного университета МИФИ, Института физики высоких энергий (Протвино) (НИЦ «Курчатовский институт»)  и Объединенного института ядерных исследований (Дубна) впервые экспериментально подтвердила вихревую структуру кварк-глюонной материи, образуемой в столкновениях тяжелых ядер, и сумела ее изучить. Эти результаты позволяют предположить, что материя ранней Вселенной была очень горячей и очень текучей субстанцией, в которой могли существовать квантовые вихри с экстремальными характеристиками. 
Физики заглянули в первые мгновения после Большого взрыва

А для того, чтобы понять, что же именно могло произойти в момент самого большого взрыва в формирующейся Вселенной с еще несуществующими звездами и планетами, нужно создать условия, которые по своим характеристикам могли бы приблизиться к тем, первым, микросекундам. Для этого в разных странах создают «коридоры» для разгона частиц, называя их ускорителями. Самый большой такой «коридор» имеет длину окружности 26,7 километра и именуется Большим адронным коллайдером. Так как во время взрыва частицы вещества сталкиваются друг с другом, то и в коллайдерах созданы системы, формирующие столкновения.

Физики заглянули в первые мгновения после Большого взрываКоллайдер релятивистских тяжелых ионов (RHIC)
Данный эксперимент проводился в Коллайдере релятивистских тяжелых ионов (RHIC), расположенном в Брукхейвенской национальной лаборатории США. Для столкновений были взяты ядра золота, потому что они тяжелые и с ними легко работать «ускорительщикам». 
Физикам очень важно понять механизмы образования звезд, планет, а также нас с вами.
Физики заглянули в первые мгновения после Большого взрыва

Наблюдения показывают, что в макро- и микромирах материя ведет себя по-разному, иногда совершенно неожиданно. По сути, последние 100 лет ученые занимаются тем, что пытаются расщепить частички материи на все более мелкие составляющие. Сейчас они «орудуют» внутри атомного ядра. Именно там находятся так называемые кварки и глюоны — фундаментальные, или элементарные частицы. На данный момент элементарные частицы, на которые удалось расщепить материю, являются самыми мелкими. 
 Будут ли они таковыми через 50 лет? Никто не знает.
Физики заглянули в первые мгновения после Большого взрыва
Кварки (как и глюоны) несут заряд сильного взаимодействия, называемый «цвет» (никакого отношения к обычному цвету он не имеет, это просто придуманное название). Поэтому кварки для наглядности, как правило, изображают в виде цветных (красный, синий, зеленый) шариков.
До начала XX века фундаментальными частицами считались атомы. А потом выяснилось, что внутри находятся атомное ядро и электрон. Далее было открыто, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, которые стали считать фундаментальными частицами. А теперь стало понятно, что протоны и нейтроны состоят из кварков.
Физики заглянули в первые мгновения после Большого взрыва
Обычно для визуализации внутренней структуры протона рисуют 3 кварка (два u, один d), однако, по современным представлениям, структура адронов (в частности, протонов) намного сложнее.
Также физики поняли, что не все частицы, которые они открыли, являются активными «игроками» в момент сильных взаимодействий, примером которых может служить взаимопроникновение вещества в момент взрыва. На сегодняшний день удалось доказать что в сильном взаимодействии участвуют как раз кварки и глюоны, а также составленные из них частицы, называемые адронами (отсюда — адронный коллайдер).  Для «освобождения» кварков и глюонов необходимы гигантские температуры и энергии, которые ученые и хотят воссоздать в экспериментах.

Физики заглянули в первые мгновения после Большого взрыва
Эскиз столкновения двух тяжелых ядер (Au). Образованная материя — кварк-глюонная жидкость со средней завихренностью — направлена вдоль углового момента столкновения J. Это направление оценивается экспериментально, измеряя боковое отклонение фрагментов и частицы, двигающихся в направлениях «вперед-назад» в детекторах BBC. Лямбда-гипероны изображены как вращающиеся волчки. Эти частицы нужны для проведения измерений. Дело в том, что лямбда-гиперон распадается на протон и отрицательно заряженный пи-мезон. Обе частицы, образованные в результате такого распада, могут быть детектированы в эксперименте. Элементы на рисунке изображены не в масштабе: жидкость и фрагменты пучка имеют размеры в несколько фемтометров, тогда как радиус каждого BBC составляет приблизительно один метр.
Для этих целей используются встречные пучки тяжелых ядер, столкновения которых позволяют образовывать материю с температурой порядка 2–3 триллионов градусов, что примерно в 100 тысяч раз превосходит температуру в центре Солнца. При таких экстремальных условиях протоны и нейтроны, называемые нуклонами и образующие видимый нами мир, «плавятся», и материя переходит в новое состояние, в котором кварки и глюоны оказываются свободными на ядерных масштабах. Вот это и есть кварк-глюонная плазма —»супчик», из которого в последующем образовались зачатки звезд и планет.

Физики заглянули в первые мгновения после Большого взрываТак художник изобразил кварк-глюонную плазму
Достижение наших физиков состоит в том, что они добились состояния кварк-глюонной плазмы и изучили ее структуру.  Ведь как истинно фундаментальные кварки и глюоны, так и частицы, имеющие сложную структуру, характеризуются собственным вращением или так называемым спином. 
Физики заглянули в первые мгновения после Большого взрыва
 Представляете себе жидкость, все «капли» которой вращаются? Наверное, это фантастическое зрелище и сопровождало первые микросекунды после Большого взрыва!
Наши ученые из Национального исследовательского ядерного университета МИФИ, а также их коллеги из Института физики высоких энергий (Протвино) (НИЦ «Курчатовский институт»)  и Объединенного института ядерных исследований (Дубна)  изучили величину завихренности кварк-глюонной жидкости и выяснили, что указанное значение на много порядков превосходит завихренности всех известных в настоящее время жидкостей (например, недавно измеренная завихренность нанокапель сверхтекучего гелия составляет «всего» 107 с-1, в то время как завихренность кварк-глюонной жидкости — порядка 1022 с-1).

Физики заглянули в первые мгновения после Большого взрываСхематическое изображение регистрации лямбда-гиперона в установке STAR. Штрихом обозначена траектория полета лямбда-гиперона. Распад лямбда-гиперона на протон и пи-мезон обозначен белыми линиями.
«Эти результаты являются критически важными для дальнейших исследований, которые, с одной стороны, могут обеспечить существенный прогресс в понимании сложных взаимодействий между кварками и глюонами, с другой — открыть новые возможности для междисциплинарного подхода в изучении спинтроники жидкостей,» — считает профессор кафедры физики НИЯУ МИФИ Виталий Окороков, участвующий в эксперименте STAR в составе научной группы под руководством ректора НИЯУ МИФИ Михаила Стриханова.
Полученные в эксперименте STAR оценки указывают на то, что кварк-глюонная материя, образуемая в столкновениях тяжелых ядер, является не только самой горячей и наименее вязкой, но и наиболее завихренной жидкостью из всех известных.

Источник: http://earth-chronicles.ru/news/2017-08-20-107477