Следы Бога. Физики впервые изучили экзотические частицы Х, которые существовали в первые мгновения Вселенной

Ключевыми доказательствами Большого взрыва являются космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение (которое также называют реликтовым излучением); космологическое красное смещение, которое могут наблюдать современные ученые при изучении отдаленных от Земли объектов; наличие и постоянное развитие космической паутины — крупнейшей структуры во Вселенной, которая своим гравитационным воздействием определяет движение материи внутри нашего мира; наличие в ранней Вселенной легких элементов — водорода, дейтерия, гелия-3, гелия-4 и лития-7, которые появились еще до формирования первых звезд.

Важно понимать, что Большой взрыв — это не обычный взрыв в классическом понимании этого слова. Это — одномоментное образование и резкое синхронное расширение мира во все стороны из сингулярности — точки невообразимо маленького размера, в которой был сосредоточен весь коктейль, который сейчас разливается по космосу и называется Вселенной.

В результате Большого взрыва должно было образоваться равное количество различных частиц и античастиц — «близнецов», которые при взаимодействии, аннигилируют в сверхяркой вспышке гамма-лучей и нейтрино. Проще говоря, самоуничтожаются. Именно такая судьба ждала и наш мир, если бы не первая материя, которая появилась в первую стомиллиардную долю секунды после Большого взрыва — кварк-глюонная плазма.

Ранее мы писали об интересном исследовании ученых из Копенгагенского университета, которые смогли изучить эту материю. Считается, что именно она сумела предотвратить полную аннигиляцию нашего мира в первые мгновения после его появления — однако каким образом это произошло, наука пока объяснить не может.

Это невообразимо экстремальное состояние материи — температура кварк-глюонной плазмы достигала 4 трлн градусов Цельсия, что в 250 тыс. раз больше, чем в центре Солнца. В таком котле разрываются даже элементарные частицы — кварки и глюоны, формируя кварк-глюонную плазму, которая по своему состоянию похожа на жидкую воду.

Движение кварк-глюонной плазмы похоже на жидкую воду

Именно в этом состоянии материи, по мнению ученых, случайные столкновения кварков и глюонов могли образовывать короткоживущие «частицы X» — экзотические мезоны X (3872).

Ученые впервые обнаружили эту частицу в 2003 году во время эксперимента Belle на коллайдере KEKB. Однако тогда частицы появлялись чрезвычайно редко и распадались слишком быстро, чтобы детально изучить их структуру. С тех пор ученые предлагали разные объяснения ее природы — к примеру, частица X может быть тетракварком или мезонной молекулой, доказав их существование в нашем мире. Это делает X (3872) желанной целью для физиков, ведь с ее помощью они смогут уточнить кварковую модель и лучше понять то, как формировался наш мир в первые мгновения своего существования.

Ученые предполагали, что эти экзотические частицы могут существовать в кварк-глюонной плазме, что теоретически позволило бы лучше понять их характеристики. И, как оказалось, они были правы.

Благодаря ускорителям частиц, у исследователей есть возможность воссоздавать эту экстремальную материю, сталкивая кварки на огромной скорости. Физики Европейского центра ядерных исследований проанализировали набор данных Большого адронного коллайдера за 2018 год, который включал в себя более 13 млрд столкновений ионов свинца, и из кварриллионов короткоживущих частиц сумели выделить рекордное количество экзотических мезонов X (3872) — 100. Результаты своей работы международная группа исследователей CMS Collaboration опубликовала в журнале Physical Review Letters.

Ученые проанализировали огромный массив данных при помощи нейросети, которую они научили выделять характерные для частицы X особенности распада. Дело в том, что эти частицы крайне нестабильны и распадаются практически сразу после образования — за миллионные доли секунды.

В следующих исследованиях ученые планируют собрать гораздо больше данных с помощью изучения кварк-глюонной плазмы, которые помогут им выяснить внутреннюю структуру частицы X. Таким образом, исследователи смогут наконец понять, чем она является — тетракварком или мезонной молекулой.

«Это только начало истории. Мы показали, что можем обнаружить сигнал. Сейчас наши данные согласуются с обоми [предположениями, чем является частица X], ведь у нас нет достаточного количества данных. В ближашшие несколько лет мы соберем гораздо больше данных, благодаря чему мы сумеем расширить понимание о видах частиц, которые появлялись в ранней Вселенной в огромных количествах», — говорит ведущий автор исследования Йен-Джи Ли.