Po Veľkom tresku nevládla vo vesmíre hmota v podobe atómov či hviezd, ale extrémne horúca a hustá kvark-gluónová plazma. V tomto zvláštnom skupenstve existovali kvarky a gluóny, základné stavebné častice hmoty – ešte predtým, než sa z nich stali protóny a neutróny. Hoci trvala len zlomok sekundy, práve táto plazma formovala základy dnešného vesmíru.

Doteraz čelili vedci pri pokuse o opísanie jej správania vážnej prekážke: silná jadrová interakcia, ktorá drží kvarky pohromade, je mimoriadne zložitá a výpočtovo náročná. Na rozdiel od elektromagnetizmu či gravitácie ju nemožno spoľahlivo popísať bežnými matematickými nástrojmi. Navyše, výpočtové metódy ako napr. perturbatívna teória, tu zlyhávajú, pretože nevedia efektívne pracovať s veľkou väzbovou konštantou silnej sily, uvádza portál InterestingEngineering.

Kombinácia dvoch metód odhalila nový obraz ranej plazmy

Nový výskum publikovaný v žurnále Physical Review Letter by však mohol priniesť dlho očakávaný prelom. Vedci skombinovali dve doteraz samostatne používané metódy. Prvou je tzv. lattice QCD, ktorá modeluje fyziku častíc v diskrétnej štruktúre časopriestoru, a Monte Carlo simulácie, ktoré pomocou náhodného vzorkovania prepočítavajú náročné fyzikálne systémy.

JPL NASA

Vedci si v tomto prístupe predstavili vesmír ako štvorrozmernú šachovnicu, na ktorej sa dajú presne vypočítať interakcie medzi časticami. Následne túto šachovnicu optimalizovali, aby boli výsledky čo najpresnejšie.

Vedci sa zamerali na model vesmíru, ktorý obsahuje tri typy prakticky bezhmotných kvarkov. V extrémnych teplotách, kde energia presahuje niekoľko GeV, sú hmotnosti kvarkov zanedbateľné. Výpočty pokrývali teploty od 3 do 165 GeV, čo znamená, že siahali až po hranicu elektroslabého prechodu, teda momentu, keď častice získali svoju hmotnosť.

Z týchto údajov vedci odvodili rovnicu pre entropickú hustotu plazmy, z ktorej potom určili tlak a energetickú hustotu pomocou štandardných termodynamických zákonov. Vďaka zjemneniu mriežky takmer na nulu sa im podarilo minimalizovať chyby a získať výsledky, ktoré lepšie odzrkadľujú skutočný vesmír, nie len jeho počítačovú simuláciu.

NASA/Freepik (Úprava redakcie)

Čo nás kvarky naučili o vesmíre

Zistenia boli prekvapivé. Aj pri extrémne vysokých teplotách sa kvarky a gluóny nesprávali ako voľné častice. Silná jadrová sila si stále udržiavala kontrolu nad ich správaním, čo naznačuje, že táto sila formovala vesmír ešte skôr, než si fyzici doteraz mysleli.

Nové výpočty ponúkajú doteraz najpresnejší obraz o správaní kvark-gluónovej plazmy a pomáhajú vedcom upresniť modely vzniku hmoty aj vývoja základných síl. Aj keď metóda nie je dokonalá, kombinácia lattice QCD a Monte Carlo simulácií ukázala obrovský potenciál. Autori štúdie však dodávajú, že na zníženie neistôt a skúmanie iných scenárov bude v budúcnosti potrebné ešte viac výpočtového výkonu.

Čítajte viac z kategórie: Novinky