Сліди Бога. Фізики вперше вивчили екзотичні частинки Х, які існували у перші миті Всесвіту

Ключовими доказами Великого вибуху є надвисокочастотне космічне фонове випромінювання (яке також називають реліктовим випромінюванням); космологічне червоне зміщення, яке можуть спостерігати сучасні вчені при вивченні віддалених від Землі об'єктів; наявність і постійний розвиток космічного павутиння — найбільшої структури у Всесвіті, яка своїм гравітаційним впливом визначає рух матерії всередині нашого світу; наявність у ранньому Всесвіті легких елементів — водню, дейтерію, гелію-3, гелію-4 та літію-7, які з’явилися ще до формування перших зірок.

Важливо розуміти, що Великий вибух — це не звичайний вибух у класичному розумінні цього слова. Це — одномоментне утворення і різке синхронне розширення світу на всі боки з сингулярності — точки неймовірно маленького розміру, в якій було зосереджено весь коктейль, який зараз розливається по космосу і називається Всесвітом.

В результаті Великого вибуху мала утворитися рівна кількість різних частинок і античастинок — «близнюків», які при взаємодії, анігілюють у надяскравому спалаху гамма-променів та нейтрино. Простіше кажучи, самознищуються. Саме така доля чекала і на наш світ, якби не перша матерія, яка з’явилася в першу стомільярдну частку секунди після Великого вибуху, — кварк-глюонна плазма.

Раніше ми писали про цікаве дослідження вчених із Копенгагенського університету, які змогли вивчити цю матерію. Вважається, що саме вона зуміла запобігти повній анігіляції нашого світу в перші миті після його появи — проте, яким чином це сталося, наука поки що пояснити не може.

Це неймовірно екстремальний стан матерії — температура кварк-глюонної плазми досягала 4 трлн градусів Цельсія, що у 250 тис. разів більше, ніж у центрі Сонця. У такому котлі розриваються навіть елементарні частинки — кварки та глюони, формуючи кварк-глюонну плазму, яка за своїм станом нагадує рідку воду.

Рух кварк-глюонної плазми схожий на рідку воду

Саме в цьому стані матерії, на думку вчених, випадкові зіткнення кварків та глюонів могли утворювати короткоживучі «частинки X» — екзотичні мезони X (3872).

Вчені вперше виявили цю частинку в 2003 під час експерименту Belle на колайдері KEKB. Однак тоді частки з’являлися надзвичайно рідко і розпадалися дуже швидко, щоб детально вивчити їхню структуру. З того часу вчені пропонували різні пояснення її природи — наприклад, частка X може бути тетракварком або мезонною молекулою, довівши їх існування у світі. Це робить X (3872) бажаною метою для фізиків, адже з її допомогою вони зможуть уточнити кваркову модель та краще зрозуміти те, як формувався наш світ у перші миті свого існування.

Вчені припускали, що ці екзотичні частки можуть існувати у кварк-глюонній плазмі, що теоретично дозволило б краще зрозуміти їхні характеристики. І, як виявилося, вони мали рацію.

Завдяки прискорювачам частинок, дослідники мають можливість відтворювати цю екстремальну матерію, зіштовхуючи кварки на величезній швидкості. Фізики Європейського центру ядерних досліджень проаналізували набір даних Великого адронного колайдера за 2018 рік, який включав більше 13 млрд зіткнень іонів свинцю, і з кварриліонів короткоживучих частинок зуміли виділити рекордну кількість екзотичних мезонів X (3872) — 100. Результати своєї роботи міжнародна група дослідників CMS Collaboration опублікувала в журналі Physical Review Letters.

Вчені проаналізували величезний масив даних з допомогою нейромережі, яку вони навчили виділяти характерні частинкам X особливості розпаду. Справа в тому, що ці частинки вкрай нестабільні і розпадаються практично відразу після утворення за мільйонні частки секунди.

У наступних дослідженнях вчені планують зібрати набагато більше даних за допомогою вивчення кварк-глюонної плазми, які допоможуть їм з’ясувати внутрішню структуру частинки X. Таким чином, дослідники зможуть нарешті зрозуміти, чим вона є — тетракварком чи мезонною молекулою.

«Це лише початок історії. Ми показали, що можемо знайти сигнал. Зараз наші дані узгоджуються з обома [припущеннями, чим є частинка X], адже ми не маємо достатньої кількості даних. У найближчі кілька років ми зберемо набагато більше даних, завдяки чому ми зуміємо розширити розуміння про види частинок, які з’являлися в ранньому Всесвіті у величезних кількостях», — говорить провідний автор дослідження Єн-Джи Лі.