Перші мікросекунди після Великого вибуху були заповнені надгарячою кварк-глюонною плазмою, поведінка якої довгий час залишалась загадкою.
Цей екзотичний стан матерії виник при температурах понад 20 трильйонів кельвінів, коли кварки і глюони існували окремо, не утворюючи протонів чи нейтронів. Основну складність у його дослідженні створює так звана сильна ядерна взаємодія — “сила, що утримує кварки разом усередині адронів”, яка є надто потужною для стандартних математичних моделей. Як зазначає Рупендра Брахамбатт, «навіть при екстремальних температурах частинки не могли вільно рухатися», що підкреслює домінування цієї сили у ранньому Всесвіті.
Традиційні методи моделювання, зокрема теорія збурень із діаграмами Фейнмана, не могли точно відтворити цей процес. Причина — постійна збудження сильної сили надто велика, що унеможливлює поступове обчислення. Вчені вдалися до решіткової квантової хромодинаміки (КХД) — “методу обчислення у вигляді чотиривимірної сітки простору-часу”, проте навіть він мав обмеження. Симуляції не перевищували одного гігаелектронвольта, тоді як важливі процеси формування мас відбувалися на рівні 100 Гев.
Революцію зробило об’єднання решіткової КХД з методом Монте-Карло — статистичним підходом для моделювання складних систем. Італійські фізики змоделювали ранній Всесвіт як систему з майже безмасовими кварками, що правдоподібно відтворює реальні умови першої мікросекунди після Великого вибуху. Вони змогли описати ентропію, тиск і енергію цієї плазми, мінімізувавши артефакти сітки шляхом зменшення її кроку до майже нульового. Як підкреслюють автори, «артефакти решітки виявилися досить незначними» — це істотний прорив у моделюванні.
Найвражаючим стало відкриття, що навіть за надвисоких температур кварки і глюони не були вільними. Сильна сила залишалася визначальною, впливаючи на формування матерії задовго до передбачених фізиками меж. Це відкриває шлях до нових моделей еволюції Всесвіту, де фундаментальні сили формували простір-час ще раніше, ніж вважалося.
Отримані результати підтверджують ефективність гібридних обчислювальних методів у фундаментальній фізиці. Команда підсумовує: «результати можуть бути систематично покращені в майбутньому за рахунок інвестицій у додаткові обчислювальні ресурси». Таким чином, майбутнє вивчення перших моментів існування Всесвіту тісно пов’язане з розвитком обчислювальних технологій.