Космология в лабораторных условиях: эксперимент по нарушению симметрии

Автор:  Артём Космарский

Ученые готовы отдать всё, чтобы узнать, какие силы создали нашу Вселенную 14 миллиардов лет назад. Каким образом материя (а потом и звезды с галактиками) появилась из изначально симметричной Вселенной? Как «сломалась» первичная симметрия? Конечно, Большой взрыв невозможно воспроизвести экспериментально. Но принцип симметрии и его нарушения в лабораторных условиях изучить вполне реально.

Для этого ученые из германского Национального метрологического института (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) обратились к охлажденным лазером ионам в так называемых «ионных кулоновских кристаллах». Исследователи впервые показали, как разрыв симметрии можно создавать в контролируемых условиях, а потом наблюдать процесс возникновения топологических дефектов: отклонений в пространственной структуре, возникающих, когда частицы не способны связываться друг с другом. Эти дефекты появляются во время фазового перехода и видны как несовпадающие области (см. первую иллюстрацию). Ученые выбрали именно ионные кулоновские кристаллы, так как свойства их симметрии сопоставимы с таковыми в ранней Вселенной.

Как контролировать сложную систему с множеством частиц и вызывать преднамеренные изменения во внешних условиях, которые приведут к нарушению симметрии? Эту задачу и должны были решить авторы эксперимента во главе с Таней Мельштэублер (Tanja Mehlstäubler). Они поймали ионы иттербия в так называемых «радиочастотных ионных ловушках» в сверхвысоком вакууме (давление 10−9 торр и ниже) и охладили их до нескольких милликельвинов с помощью лазерного луча. Пойманные положительно заряженные частицы отталкивают друг друга внутри ловушки и, при таких сверхнизких температурах, приобретают кристаллическую структуру (вторая иллюстрация, а-с). Точные ионные ловушки, разработанные для метрологических задач, в данном эксперименте обеспечили контроль над ультрахолодными частицами и параметрами окружающей среды.

Если параметры ловушки меняются быстрее скорости света в кристалле, то появляются топологические дефекты (вторая иллюстрация, d-e) – когда ионы в кристалле ищут новое состояние равновесия. Стабильность этих эффектов была исследована и оптимизирована посредством цифрового моделирования – что обеспечивает идеальную систему для изучения нарушающих симметрию переходов с максимальной чувствительностью. Таким образом, спонтанное изменение ориентации кулоновского кристалла происходит по тем же законам, что и изменение ранней Вселенной (после Большого взрыва).

 Данное исследование тесно связано с так называемым механизмом Киббла-Цурека . Эта теория основывается на размышлениях Тома Киббла (Tom Kibble) об особых топологических дефектах в ранней Вселеннеой: спустя доли секунды после Большого Взрыва произошло нарушение симметрии, и Вселенной пришлось «решать», какое новое состояние принять. Всюду, где отдельные зоны Вселенной не могли сообщить о своих решениях друг другу, вероятно, образовывались космологические струны, доменные стенки и другие топологические эффекты. Но механизм Киббла-Цурека также позволяет проводить статистические измерения дефектов в фазовых переходах любого рода. Благодаря своему универсальному характеру, эта теория применима к самым разным областям физики: переходу от металлов к сверхпроводникам, от ферромагнитных к парамагнитным системам и т.д.

Своим экспериментом международный коллектив исследователей показал, что механизм Киббла-Цурека можно перевести в сравнительно простые лабораторные условия (с помощью охлажденных лазером ионных кулоновских кристаллов), а также продемонстрировал, что возникающие в процессе топологические дефекты зависят от скорости изменений. Эксперименты, которые одновременно проходили в Университете им. Иоганна Гуттенберга (Майнц, Германия) привели к аналогичным результатам.

Новая система делает возможным проведение дальнейших экспериментов по фазовым переходам в классических системах и в квантовой Вселенной, а также в области нелинейной физики (солитоны, например) в хорошо управляемых и поддающихся сравнению условиях. Так физики еще на один шаг подошли к объяснению причинно-следственных отношений в природе.

В эксперименте также участвовали ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории (CША), Ульмского университета (Германия) и Еврейского университета (Израиль).

Данные исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

По материалам пресс-релиза института.