Исследователи смогли вычислить важную переменную в реакции, которая произошла вскоре после Большого взрыва. Учёные добились этого, направив поток протонов в облако дейтерия. Таким образом они смоделировали процесс, при котором первые элементы соединялись и образовывали изотоп гелия.
Расчёт скорости присоединения протона совпал с более поздними измерениями. Это дало физикам новые инструменты для дальнейшего изучения процессов, происходивших в ранней Вселенной. Эксперимент был проведён в исследовательской лаборатории, расположенной глубоко под горой в Италии.
Самая точная симуляция ранней реакции
Благодаря использованию самых современных материалов и приборов учёные сумели воссоздать условия, максимально приближенные к тем, что существовали после Большого взрыва. По их словам, это самая достоверная симуляция подобной ядерной реакции. Кроме того, полученные данные согласуются с существующими представлениями о том, что происходило в последующие эпохи.
В журнале Nature исследователи описали свой опыт следующим образом: «Лёгкие элементы образовались в первые минуты существования Вселенной в ходе цепочки ядерных реакций, известных как первичный нуклеосинтез. Мы облучали мишень из высокочистого газа дейтерия интенсивным пучком протонов и фиксировали гамма-излучение, возникающее при реакции. Наши результаты устраняют наиболее серьёзную неопределённость в расчётах первичного нуклеосинтеза и значительно повышают точность использования данных о первичных изотопах для изучения физики ранней Вселенной».
Для этого учёные применили «периодически корректный» дейтерий — одно из первых соединений, сформировавшихся после Большого взрыва. С помощью специально подобранного лазера они измерили, с какой скоростью дейтерий соединяется и превращается в гелий-3. Когда облако дейтерия облучается пучком протонов, можно напрямую наблюдать, как протон соединяется с ядром дейтерия и формирует новый элемент — гелий-3.
Вопрос о возрасте Вселенной
Именно эта реакция играет ключевую роль в понимании того, какой была наша Вселенная в самом начале её существования. До этого момента учёные могли лишь строить обоснованные предположения. Всё потому, что они не знали одного важного параметра: насколько легко дейтерий способен захватывать протон? И с какой скоростью это происходит, превращаясь в гелий-3?
Журналист Томас Льютон в Quanta отмечает: «Главное в том, что неопределённость мешала физикам сопоставить эту картину с тем, какой была Вселенная через 380 000 лет после Большого взрыва, когда она достаточно охладилась и электроны смогли начать вращаться вокруг атомных ядер».
Проверка на практике
Эксперимент можно было проверить по простому принципу «да или нет». Учёные облучили газообразный дейтерий протонами, а затем измерили количество получившегося гелия. Эти данные они внесли в уже существующие и более точно известные расчёты фонового излучения и других характеристик Вселенной на момент 380 000 лет после Большого взрыва. К счастью, результаты прекрасно вписались в эту модель.
Кроме того, исследование дало эффект «домино». Если удаётся решить первое уравнение, его результат можно подставить в другие, более сложные системы. В данном случае знание скорости поглощения протонов дейтерием помогает глубже понять множество химических процессов, которые происходили после.
Заключение
Учёные подытоживают:
«Наши результаты устраняют самую серьёзную неопределённость в расчётах первичного нуклеосинтеза и значительно повышают надёжность использования данных о первичных изотопах для исследования физики ранней Вселенной».
Таким образом, ещё один недостающий фрагмент головоломки был найден. И по форме он очень напоминает гелий-3.
