Тежки частици, големи тайни: Какво се случи веднага след Големия взрив

Сблъсъкът на атомни ядра при невероятни скорости възпроизвежда условията на ранната Вселена и учените най-накрая започват да разбират по-добре какво се случва след това.

Ново мащабно проучване се впуска в дълбочина в поведението на ултратежките частици след тези високоенергийни сблъсъци и установява, че те не изчезват след първоначалния удар, а продължават да взаимодействат като безмълвни посланици от зората на времето. Това поведение, което преди е било пренебрегвано, може да е ключът към разгадаването на най-загадъчните начала на Вселената.

Международен екип учени публикува нов доклад, който се стреми към по-добро разбиране на поведението на някои от най-тежките частици във Вселената при екстремни условия, подобни на тези непосредствено след Големия взрив. 

Статията, публикувана в списание Physics Reports, е подписана от физиците Хуан М. Торес-Ринкон (Juan M. Torres-Rincón) от Института за космически науки към Университета в Барселона (ICCUB), Сантош К. Дас (Santosh K. Das) от Индийския институт по технологии в Гоа (Индия) и Ралф Рап (Ralf Rapp) от Тексаския университет A&M.

Авторите са публикували изчерпателен преглед, който изследва как частиците, съдържащи тежки кварки (чаровни и дънни кварки), взаимодействат в гореща, плътна среда, наречена адронна материя. Тази среда се създава в последната фаза на високоенергийни сблъсъци на атомни ядра, като тези, които се извършват в Големия адронен ускорител (LHC) и Релативистичния ускорител на тежки йони (RHIC). Новото проучване подчертава важността на включването на адронните взаимодействия в симулациите, за да се интерпретират точно данните от експериментите в тези големи научни инфраструктури.

Проучването разширява представата за това как се държи материята при екстремни условия и помага за разрешаването на някои големи неизвестни относно произхода на Вселената.

Възпроизвеждане на първичната Вселена

Когато две атомни ядра се сблъскат с близка до скоростта на светлината скорост, те генерират температури, които са над 1000 пъти по-високи от тези в центъра на Слънцето. Тези сблъсъци за кратко време създават състояние на материята, наречено кварк-глуонна плазма – смес от фундаментални частици, която е съществувала микросекунди след Големия взрив. Когато тази плазма се охлади, тя се превръща в адронна материя, фаза, съставена от частици като протони и неутрони, както и други бариони и мезони.

Проучването се фокусира върху това, което се случва с тежките адрони (частици, съдържащи чаровни кварки или фонови кварки, като D и B мезони) по време на този преход и последващото разширяване на адронната фаза.

Лептони и адрони

В таблицата са представени частици, които се обединяват в две групи: лептони, които са елементарни частици и адрони, които са съставени от кварки

Група		Име на частицата	Символ		Маса (спрямо масата на електрона)	електричен заряд	Спин	Време (сек)
			Частица	Анти-частица
Лептони		Неутрино електронно	νe	νe	4,3∙10–6	0	1/2	Стабилно
		Неутрино мюонно	νμ	νμ	0,3	0	1/2	Стабилно
		Тау-неутрино	ντ	ντ	30,3	0	1/2	Стабилно
		електрон	e–	e+	1	–1      1	1/2	Стабилен
		Мюон	μ–	μ+	206,8	–1      1	1/2	2,2∙10–6
		Тау-лептон	τ–	τ+	3477,5	–1      1	1/2	2,9·10−13
Адрони	Мезони	Пи-мезони	π0		264,1	0	0	0,87∙10–16
			π+	π	273,1	1      –1	0	2,6∙10–8
		К-мезони	K +	K	966,4	1      –1	0	1,24∙10–8
			K0	K0	974,1	0	0	≈ 10–10–10–8
		ета-нула-мезон	η0		1074	0	0	≈ 10–18
	Бариони	Протон	p	p	1836,1	1      –1	1/2	Стабилен
		Неутрон	n	n	1838,6	0	1/2	898
		Ламбда-хиперон	Λ0	Λ0	2183,1	0	1/2	2,63∙10–10
		Сигма-хиперони	Σ +	Σ +	2327,6	1      –1	1/2	0,8∙10–10
			Σ 0	Σ 0	2333,6	0	1/2	7,4∙10–20
			Σ –	Σ –	2343,1	–1      1	1/2	1,48∙10–10
		Кси-хиперони	Ξ 0	Ξ 0	2572,8	0	1/2	2,9∙10–10
			Ξ –	Ξ –	2585,6	–1      1	1/2	1,64∙10–10
		Омега-минус-хиперон	Ω–	Ω–	3273	–1      1	1/2	0,82∙10–11

Адроните

Името "адрон"  произлиза от гръцки ἁδρός ,  хадрóс и означава як, дебел, масивен. Адроните са множество частици, които се делят на две основни групи според броя на кварките, които ги съставят:

Бариони		Мезони
Барионите ( βαρύς -тежки) се състоят от три кварки от трите цвята (или антицвята), образувайки безцветна комбинация. Съществуват около 120 типа бариони, сред тях са ядрените частици (нуклони) - протоните и неутроните. Бариони са и многочислените хиперони - по-тежки и нестабилни частици, получени в последните години в ускорителите на елементарни частици. Имат полуцяло число спин: 1/2, 3/2. Те са фермиони.		Мезоните се състоят от един кварк и един антикварк с противоположни цветове. Има около 140 типа мезони. Мезони са пионите (π-мезони) и каоните (K-мезони) и други . Спинът им е цяло число 0, 1. Те са бозони.

Тежките частици като изследователски сонди

Тежките кварки са като миниатюрни сензори. Тъй като са много масивни, те се образуват веднага след първоначалното ядрено сблъскване и се движат по-бавно, като по този начин взаимодействат по различен начин с околната материя. Информацията за това как се разсейват и разпространяват е ключово за изучаването на свойствата на средата, през която се движат.

Изследователите са прегледали широк спектър от теоретични модели и експериментални данни, за да разберат как тежките адрони, като D и B мезони, взаимодействат с леките частици в адронната фаза. Те също така са проучили как тези взаимодействия влияят върху наблюдаеми величини като потока на частици и загубата на импулс.

"За да разберем наистина какво виждаме в експериментите, е от решаващо значение да наблюдаваме как тежките частици се движат и взаимодействат и по време на по-късните етапи на тези ядрени сблъсъци", обяснява Хуан М. Торес-Ринкон, член на Катедрата по квантова физика и астрофизика и ICCUB.

"Тази фаза, когато системата вече е изстинала, все още играе важна роля в начина, по който частиците губят енергия и се сливат. Необходимо е също така да се разгледат микроскопичните и транспортните свойства на тези тежки системи точно в преходната точка към кварк-глуонната плазма", продължава Торес-Ринкон. "Това е единственият начин да се постигне степента на прецизност, изисквана от настоящите експерименти и симулации."

За да разберем по-добре тези резултати, можем да използваме една проста аналогия: когато пуснем тежка топка в препълнен басейн, дори след като най-големите вълни са се разсеяли, топката продължава да се движи и да се сблъсква с хората. По същия начин тежките частици, създадени при ядрени сблъсъци, продължават да взаимодействат с други частици около тях, дори след най-горещата и хаотична фаза. Тези непрекъснати взаимодействия леко променят движението на частиците, а изучаването на тези промени помага на учените да разберат по-добре условията в ранната Вселена. Игнорирането на тази фаза би означавало пропускане на важна част от историята.

Поглед към бъдещето

Разбирането на поведението на тежките частици в гореща материя е от основно значение за картографирането на свойствата на ранната Вселена и фундаменталните сили, които я управляват. Откритията проправят пътя и за бъдещи експерименти с по-ниски енергии, като например тези, планирани в Суперпротонния суперсинхротрон (SPS) на ЦЕРН и бъдещата инсталация FAIR в Дармщат, Германия.

Справка: Das, Santosh K., Torres-Rincón, Juan M.; Rapp, Ralf. Charm and bottom hadrons in hot hadronic matter. Physics Reports, June 2025. DOI: 10.1016/j.physrep.2025.05.002.

Източник: Deciphering the behaviour of heavy particles in the hottest matter in the universe, University of Barcelona

Още по темата

28/08/2024

Физика

Фотонни сблъсъци в Големия адронен колайдер създават миниатюрни капки от първичната Вселена

29/01/2024

Физика

Рядък разпад на бозона на Хигс може да сочи към физика отвъд Стандартния модел

11/02/2016

Физика

В ЦЕРН възпроизведоха първичната супа на Вселената

26/11/2015

Физика

LHC пресъздаде първите мигове след Големия взрив