Ученые раскрывают тайны первых мгновений Вселенной

Исследователи из Университета Этвоса Лоранда используют современные ускорители частиц для изучения превращения кварковой материи в ранней Вселенной в обычную материю. Их инновационные методы и результаты вносят значительный вклад в наше понимание фундаментальной физики и сильного взаимодействия. Фото: SciTechDaily.com

Их усилия были сосредоточены на картировании «первичного супа», который наполнил Вселенную в первую миллионную долю секунды после ее создания.

Физики из Университета Этвёша Лоранда изучали компоненты атомного ядра, используя три самых совершенных в мире ускорителя частиц. Их исследование направлено на изучение «первичного супа», существовавшего во Вселенной в течение первых микросекунд после ее создания. Интересно, что их результаты показывают, что наблюдаемое движение частиц напоминает поиск добычи морских хищников, закономерности изменения климата и колебания фондового рынка.

Сразу после аварии великий взрывТемпературы были настолько экстремальными, что ни атомные ядра, ни нуклоны, их строительные блоки, не могли существовать. Следовательно, в этом первом случае Вселенная была наполнена «первичным супом» из кварков и глюонов.

Когда Вселенная остыла, эта среда подверглась процессу «замерзания», что привело к образованию известных нам сегодня частиц, таких как протоны и нейтроны. Это явление повторяется в гораздо меньшем масштабе в экспериментах на ускорителях частиц, где столкновения двух ядер создают крошечные капли кварковой материи. Эти капли в конечном итоге переходят в обычную материю посредством замерзания — превращения, известного исследователям, проводившим эти эксперименты.

Различия в кварковой материи

Однако свойства кварковой материи различаются из-за разницы в давлении и температуре, возникающей из-за энергии столкновения в ускорителях частиц. Эта разница требует измерений для «сканирования» материи на ускорителях частиц разных энергий, таких как Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в США или Суперпротонный коллайдер (SPS) и Большой адронный коллайдер (LHC) в Швейцарии.

«Этот аспект настолько важен, что во всем мире, например в Германии или Японии, специально для подобных экспериментов создаются новые ускорители. «Пожалуй, самый важный вопрос заключается в том, как происходит переход между фазами: на фазовая карта», — объясняет Мати Чанад, профессор физики кафедры атомной физики Университета Этвёша Лоранда (ELTE).

Монтаж реконструированных следов реальных событий столкновения и фотографий задействованных детекторов в Брукхейвенской национальной лаборатории и ЦЕРН. Источник: монтаж Мате Чанада / Университет Этвеша Лоранда. Оригинальные изображения монтажа: STAR és PHENIX: Brookhaven National Laboratory и CMS és NA61: CERN.

Долгосрочная цель исследования — углубить наше понимание сильного взаимодействия, которое управляет взаимодействиями в кварковой материи и в атомных ядрах. Наш нынешний уровень знаний в этой области можно сравнить с пониманием электричества человечеством в эпоху Вольты, Максвелла или Фарадея. Хотя они имели представление об основных уравнениях, потребовалась огромная экспериментальная и теоретическая работа для разработки технологий, которые глубоко изменили повседневную жизнь, от лампочки до телевизоров, телефонов, компьютеров и Интернета. Точно так же наше понимание сильного взаимодействия все еще находится на ранней стадии, поэтому исследования по его изучению и картированию имеют решающее значение.

Инновации в фемоскопии

Исследователи ELTE участвовали в экспериментах на каждом из упомянутых выше ускорителей, и их работа за последние несколько лет привела к получению комплексной картины геометрии кварковой материи. Они достигли этого, применив фемтоскопические методы. В этом методе используются корреляции, возникающие из-за неклассической, квантовоподобной волновой природы образующихся частиц, которые в конечном итоге раскрывают фемтометрическую структуру среды, которая является источником излучения частиц.

Исследователи из Университета Этвос работают над сбором данных для эксперимента STAR в Брукхейвенской национальной лаборатории. Фото: Мате Чанад / Университет Этвеша Лоранда.

«В предыдущие десятилетия фемтокопия выполнялась в предположении, что кварковая материя имеет нормальное распределение, то есть гауссову форму, встречающуюся во многих местах в природе», — объясняет Мартон Надь, один из ведущих исследователей группы.

Однако венгерские исследователи обратились к процессу Леви, также известному в различных научных дисциплинах, как к более общей схеме, которая хорошо описывает поиск добычи морскими хищниками, процессы на фондовом рынке и даже изменение климата. Отличительной особенностью этих процессов является то, что в определенные моменты они претерпевают очень большие изменения (например, когда акула ищет пищу на новом участке), и в таких случаях вместо нормального (гауссовского) распределения может возникнуть распределение Ливра.

Значение и роль ELTE

Это исследование имеет большое значение по нескольким причинам. Во-первых, одной из наиболее изученных особенностей вмораживания кварковой материи в адронную материю является фемтоскопический радиус (также называемый радиусом HBT в связи с известными эффектами Хэнбери-Брауна и Твисса). В астрономии) его получают на основе фемтоскопических измерений. Однако эта мера зависит от предполагаемой геометрии среды. Как резюмирует Даниэль Кинсис, постдокторант группы, «если предположение Гаусса не является оптимальным, наиболее точные результаты этих исследований можно получить только в рамках предположения Леви. Значение показателя Леви, которое характеризует распределение Леви, может Они также проливают свет на природу фазового перехода, и, таким образом, его изменение в зависимости от энергии столкновения дает представление о различных фазах кварковой материи.

Исследователи ELTE активно участвуют в четырех экспериментах: NA61/SHINE на ускорителе SPS, PHENIX и STAR на RHIC и CMS на LHC. Группу ELTE NA61/SHINE возглавляет Ёсиказу Нагаи, а группу CMS возглавляет Габриэла Пастор; и группы RHIC, основанные Мате Чанадом, который также координирует фемтоскопические исследования в ELTE.

Эти группы вносят значительный вклад в успех экспериментов в различных сферах: от разработки реагентов до сбора и анализа данных. Они также участвуют во многих теоретических проектах и ​​исследованиях. «Уникальность нашего исследования в области фемтоскопии заключается в том, что оно проводится в четырех экспериментах на трех ускорителях частиц, что дает нам широкое представление о геометрии и возможных фазах кварковой материи», — говорит Матей Чанад.

Ссылка: «Новый метод расчета корреляционных функций Бозе-Эйнштейна с кулоновским взаимодействием в конечном состоянии», Мартон Надь, Алета Борза, Матей Чанад и Дэниел Кинсис, 8 ноября 2023 г., Европейский физический журнал C.
doi: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y