Гелий помог физикам из России воссоздать "первичную материю Вселенной"

МОСКВА, 16 янв – РИА Новости. Российские и финские физики обнаружили внутри сверхтекучего жидкого гелия-3, самой холодной жидкости на Земле, необычные квантовые структуры, напоминающие по своим свойствам первичную материю Вселенной. Итоги их опытов были представлены в журнале Nature Communications.

"Мы изначально предполагали, что эти структуры пропадут после того, как мы сделаем жидкость еще более холодной. Оказалось, что если охладить гелий до половины милликельвина, они выживают и превращаются в нечто иное, нетопологическую стену", — рассказывает Йере Мякинен (Jere Makinen) из университета Аалто (Финляндия).

Загадки Большого Взрыва

Вселенная была заполнена в первые мгновения своей жизни крайне однородным "супом" из различных субатомных частиц, взаимодействовавших друг с другом на квантовом уровне. Эта первичная материя мироздания, так называемая кварково-глюонная плазма, не существует сегодня в окружающем нас мире по одной простой причине.

Для "освобождения" кварков и глюонов необходимы гигантские температуры и энергии, которые, как сегодня считают ученые, существовали в природе только в момент Большого Взрыва. По этой причине во Вселенной не существует примеров этой материи, которые можно было бы изучать при помощи телескопов или других приборов.

Примерно десять лет назад физики выяснили, что такие условия можно воспроизвести, если сталкивать достаточно тяжелые ионы друг с другом при помощи мощных ускорителей частиц. Достаточно долгое время ученые считали, что иным образом "квагму" получить или изучить невозможно.

Мякинен и его коллеги под руководством профессора Григория Воловика из Института теоретической физики РАН в Москве, выяснили, что аналоги первичной материи Вселенной можно получить "обратным путем" – не нагревая, а охлаждая исходный материал.

Воловик и его коллеги по институту и университету уже много десятилетий изучают свойства сверхтекучего гелия-3 – экзотической квантовой жидкости, возникающей при охлаждении этого благородного газа до сверхнизких температур.

Ее необычные свойства проявляются в том, что сверхтекучий гелий нельзя "вскипятить", почти невозможно взболтать, и при этом он является сверхпроводником и может двигаться по любой поверхности без трения. Вдобавок, внутри него возникают загадочные квантовые вихри, особым образом влияющие на манеру вращения жидкости, о природе которых ученые продолжают спорить до сих пор.

Космос в пробирке

Российские и финские физики изучали свойства одной из подобных структур, так называемых полуквантовых воронок – миниатюрных вихрей из атомов гелия, чьим движением управляют исключительно законы квантового мира.

Для этих наблюдений они создали своеобразный миниатюрный бассейн, разделенный на множество миниатюрных "дорожек", заполненных обычным гелием-3. Раскрутив этот контейнер, ученые начали охлаждать жидкость, благодаря чему в ней постепенно возникли полуквантовые воронки.

По мере дальнейшего охлаждения, гелий-3 несколько раз переживал фазовые переходы – он резко менял свою структуру и свойства, так как характер взаимодействия между его атомами менялся из-за падения температуры. Физиков интересовало, что произойдет с квантовыми вихрями во время подобных "перестроек".

К их удивлению, полуквантовые воронки не исчезли, как это предсказывала теория, а стали частью нового типа структур, которые ученые назвали "нетопологическими стенами". Они представляют собой воображаемые линии, разбивающие жидкий гелий на несколько зон с разными магнитными свойствами.

Подобные свойства, как отмечают Воловик и его коллеги, не характерны для всех типов материи, существующих сегодня. С другой стороны, такие квантовые стены, как считают некоторые космологи, могли существовать в первичной материи Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва.

Если это действительно так, то эти объекты должны были сыграть ключевую роль в том, как материя была распределена по Вселенной и как возникли все современные скопления галактик и "зоны пустоты" в пространстве между ними. Ученые надеются проверить эти теории в ближайшее время, наблюдая за формированием воронок в "бассейнах" другой формы и размеров.