21 августа 2017

Физики смоделировали 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.

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.

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".

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.

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.

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.

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.

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).

"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.