Секунда след Големия взрив

Една от великите загадки във физиката остава въпросът, защо нашата Вселена съдържа повече материя, отколкото антиматерия.

За да намерят отговор на този въпрос, международен екип учени са решили да създадат плазма от равно количество материя и антиматерия – в такива условия, както се смята, е пребивавала ранната Вселена.

Материята, доколкото знаем, се намира в четири различни състояния – твърдо, течно, газообразно и плазма, която представлява горещ газ, чиито атоми са лишени от електрони.

И все пак има и пето екзотично състояние – плазма от материя-антиматерия, в която се наблюдава пълна симетрия между отрицателните частици (електрони) и положителните частици (позитрони), пише The Conversation.

Това специфично състояние на веществото, както се смята, присъства в атмосферата на екстремни астрофизични обекти от рода на черни дупки и пулсари.

Смята се също, че тя е била фундаментална съставка на Вселената в нейното зачатъчно състояние, по време на лептонната ера, която е започнала около секунда след Големия взрив.

Част от секундата

Един от проблемите на едновременното създаване на частици материя и антиматерия е, че те не могат да се „търпят“ и се унищожават взаимно (анихилират). Но тъй като това не става веднага, остава възможността да се изучи поведението на плазмата в тази част от секундата, докато тя все още е жива.

Разбирането на това, как материята се държи в своето екзотично състояние, има решаващо значение, ако искаме да разберем как се е развивала нашата Вселена и по-конкретно защо Вселената, каквато я познаваме, се състои предимно от материя.

Пулсарите – на изображението е пулсар, обвит в мехура на свръхнова, също имат атмосфера на материя-антиматерия плазма.
© ESA/XMM-Newton/ L. Oskinova/M. Guerrero; CTIO/R. Gruendl/Y.H. Chu, CC BY

Този момент предизвиква недоумение, тъй като теорията на релативистката квантова механика смята, че трябва да има равно количество материя и антиматерия. Но доколкото наблюдаваме себе си и звездите, някъде нещо се е объркало. Нито един от съвременните модели на физиката не обяснява това разминаване.

Независимо от фундаменталната важност за нашето разбиране на Вселената, електрон-позитронната плазма никога не е произвеждана досега в лаборатория, дори в гигантските ускорители на частици от рода на колайдера на ЦЕРН. Международен екип учени от Великобритания, Германия, Португалия и Италия най-после са решили да счупят този „костелив орех“.

Да мислиш за микроскопичното

Вместо да се обърнат към огромните ускорители на частици, учените използвали ултраинтензивните лазери на британската национална лаборатория „Ръдърфорд Епълтън“ в Оксфордшър.

Използвайки вакуумна камера, учените насочили свръхкъс интензивен лазерен импулс в газ от азот. Импулсът „срязал“ електроните на частиците на газа и ги ускорил до близка до светлинната скорост.

След това лъчът се сблъскал с оловен блок, който отново ги забавил. В процеса на забавяне те изпускали частици светлина, които образували двойки електрони и техните античастици, позитрони, в процеса на сблъсък с ядрата в образеца от олово. Верижната реакция на този процес довела до появата на плазма.

На думи е просто, но на дело – не. Лазерният лъч трябвало да се контролира и насочва с точност до микрометър, а детекторите трябвало да бъдат калибрирани и екранирани – в което е безспорната заслуга на учените.

Експериментът отваря вълнуваща част от физиката пред учените. Освен изследванията на важната тема за асиметрията материя–антиматерия и наблюденията на взаимодействията на плазмата с ултрамощния лазер физиците ще могат да изучат как тази плазма се разпространява във вакуум и в разредена среда.