Тяжелые частицы раскрывают тайны ранней Вселенной

Ученые выяснили, как ведут себя тяжелые частицы в экстремальных условиях, похожих на раннюю Вселенную. Новое исследование проливает свет на фундаментальные силы, сформировавшие наш мир.

Международная команда физиков из Университета Барселоны, Индийского технологического института и Техасского A&M добилась прогресса в изучении поведения сверхтяжелых частиц. Эти частицы, содержащие прелестные (b) и очарованные (c) кварки, существуют в условиях, сравнимых с моментом сразу после Большого Взрыва.

Для воссоздания таких экстремальных состояний ученые сталкивают атомные ядра на околосветовых скоростях в гигантских ускорителях: Большом адронном коллайдере (LHC) и Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC). Эти столкновения порождают невероятную температуру, в тысячи раз превышающую жар солнечного ядра, и формируют кратковременное состояние вещества – кварк-глюонную плазму.

По мере охлаждения эта первичная "суп" из фундаментальных частиц преобразуется в адронную материю. Этот переход включает образование привычных протонов и нейтронов, а также экзотических барионов и мезонов. Исследование данного процесса критически важно для понимания эволюции Вселенной от хаотичной плазмы к структурированной материи.

Тяжелые кварки служат уникальными зондами в этой среде. Из-за своей массы они движутся медленнее легких частиц и иначе взаимодействуют с окружением. Их поведение можно сравнить с тяжелым мячом, брошенным в бассейн с людьми: даже после угасания основных волн мяч продолжает сталкиваться с пловцами, передавая информацию о среде.

Новизна исследования заключается в акценте на фазе охлаждения и перехода в адронную материю. Ранее основное внимание уделялось лишь самой горячей стадии кварк-глюонной плазмы. Теперь же доказано, что последующий этап охлаждения существенно влияет на поведение частиц и результаты экспериментов.

Ученые детально проанализировали взаимодействие тяжелых адронов, особенно D- и B-мезонов (содержащих c- и b-кварки), с более легкими частицами в период перехода. Эти взаимодействия изменяют ключевые наблюдаемые параметры: паттерны потока частиц и потерю ими энергии.

«Эта фаза, когда система уже остывает, все еще играет важную роль в том, как частицы теряют энергию и движутся совместно. Игнорирование этого этапа означало бы упустить ключевую часть головоломки», – подчеркивает Хуан М. Торрес-Ринкон из Университета Барселоны.

Понимание поведения тяжелых частиц в горячей материи необходимо для картирования свойств ранней Вселенной и фундаментальных сил. Полученные данные также закладывают основу для будущих экспериментов на установках вроде Супер протонного синхротрона ЦЕРН и строящегося комплекса FAIR в Германии. Эта работа приближает нас к разгадке тайны превращения новорожденной Вселенной в сложный Космос.