Физики рассчитали, плазма начала времен была похожа на газ или жидкость
Физики разработали теорию, которая описывает движение тяжелых кварков через плазму при околосветовых скоростях. Она показывает, что редкие сильные столкновения могут дать новые сведения о строении материи ранней Вселенной. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Расчеты дополняют теорию броуновского движения, предложенную Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Авторы рассчитывают, что сравнение их предсказаний с экспериментами поможет изучить кварк-глюонную плазму — состояние вещества, существовавшее вскоре после Большого взрыва.
Плазма первых мгновений
В первые доли секунды после Большого взрыва вещество представляло собой плазму с температурой около триллиона градусов. Она состояла из кварков и глюонов, двигавшихся почти со скоростью света. Через несколько микросекунд кварки объединились в более устойчивые протоны и нейтроны.
Чтобы исследовать эту среду, ученые сталкивают ионы в ускорителях частиц. При этом возникают капли плазмы размером примерно с атомное ядро, которые существуют лишь десятки йоктосекунд: одна йоктосекунда равна септиллионной доле секунды. О свойствах таких капель можно судить по движению тяжелых кварков, проходящих через них.
От пыльцы к тяжелым кваркам
Теория Эйнштейна объяснила беспорядочное движение взвешенных в жидкости частиц, которое ботаник Роберт Броун наблюдал у пыльцы в воде. Частицу одновременно замедляет сопротивление среды и подталкивают случайные удары ее молекул. По характеру движения можно узнать о микроскопическом строении жидкости.
Однако при околосветовых скоростях привычное соотношение между сопротивлением и случайными толчками перестает полностью описывать движение.
Жан Дю Плесси и Бруно Шайхинг-Хитцфельд из Массачусетского технологического института и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре рассчитали изменения импульса тяжелого кварка под действием сильного взаимодействия, начав с упрощенной модели газа слабо взаимодействующих кварков и глюонов.
Необычные сильные толчки
Для небольших изменений импульса результаты напоминали предсказания обычной теории. Но сильные толчки оказались более вероятными, чем она предполагает. При этом крупное отклонение, дополнительно замедляющее кварк, возникало чаще, чем столь же сильное ускорение.
Похожие особенности исследователи обнаружили в моделях плазмы с разным составом, а также в ранее выполненном расчете для сильно взаимодействующей среды. Это указывает на возможную универсальность найденной закономерности.
Сопоставление теории с экспериментами может показать, насколько сильно взаимодействуют ее частицы. Предположительно, первичная кварк-глюонная плазма больше похожа на жидкость, чем на газ.
