Международная команда физиков разобралась, как ведут себя одни из самых тяжелых частиц во Вселенной в экстремальных условиях — таких, какие были сразу после Большого взрыва. Их исследование опубликовано в журнале Physics Reports. Среди авторов — Хуан М. Торрес-Ринкон из Университета Барселоны, Сантош К. Дас из Индийского технологического института Гоа и Ральф Рапп из Техасского университета A&M.

Ученые изучили, как частицы с тяжелыми кварками (например, D- и B-мезоны) ведут себя в горячей и плотной среде — адронной материи. Она возникает на последней стадии столкновений атомных ядер в Большом адронном коллайдере (БАК) и Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC).

Оказалось, что без учета взаимодействий в этой фазе точные расчеты невозможны.

Как это работает

Когда два ядра сталкиваются почти на скорости света, температура на мгновение превышает солнечную в тысячи раз.

Возникает кварк-глюонная плазма — суп из элементарных частиц, который существовал первые мгновения после рождения Вселенной. Потом плазма остывает и превращается в адронную материю — протоны, нейтроны и другие частицы.

Кварк-глюонная плазма — состояние материи, в котором кварки и глюоны (обычно «запертые» внутри протонов и нейтронов) существуют свободно. Это самая горячая и плотная среда во Вселенной, кроме сингулярности.

Но самое интересное происходит с тяжелыми частицами, например, с теми, что содержат очарованный или прелестный кварк.

Они как зонды: двигаются медленнее и иначе взаимодействуют с окружением. Их движение раскрывает свойства среды.

Чтобы понять данные экспериментов, важно отслеживать поведение тяжелых частиц даже на поздних стадиях столкновений, — объясняет Хуан Торрес-Ринкон. — Да когда плазма уже остыла, эти частицы все еще теряют энергию и влияют на общую картину.

Простая аналогия: представьте, что вы бросаете тяжелый мяч в бассейн, полный людей. Даже когда большие волны улеглись, мяч продолжает сталкиваться с пловцами. Точно так же тяжелые частицы взаимодействуют с окружением, даже когда самый жаркий хаос уже позади.

Это исследование — шаг к пониманию ранней Вселенной. В будущем его результаты помогут в экспериментах на новых установках, например, в проекте FAIR в Германии.

Практическая ценность:

• Точные модели — улучшит расчеты в физике высоких энергий.
• Новые технологии — возможно, даст идеи для энергетики или материаловедения.
• Космология — поможет точнее реконструировать первые мгновения Вселенной.

Отметим, что исследование опирается на теоретические модели, которые пока невозможно проверить с абсолютной точностью. Например, поведение кварк-глюонной плазмы в лаборатории длится наносекунды — слишком мало для детальных измерений.

Ранее астрофизики измерили поведение частиц в килоновой.