Кислород и углерод появились во Вселенной по воле кварка

Как известно, углерод и кислород составляют основу жизни на Земле. Однако согласно исследованию физиков из Государственного университета Северной Каролины, эти ключевые элементы были практически на грани небытия.

Ученые изучали условия, необходимые для формирования кислорода и углерода. Они образуются в процессе горения гелия внутри гигантских красных звезд. При этом углерод-12, один из важнейших элементов, из которого мы буквально и состоим, формируется только, когда три альфа-частицы, или ядра гелия-4, взаимодействуют очень специфическим образом.

Ключом к образованию является возбужденное состояние углерода-12, известное как состояние Хойла. Оно имеет очень конкретную энергию - около 379 кэВ (379 000 электрон-вольт), это выше энергии трех альфа-частиц. В свою очередь кислород образуется в результате взаимодействия альфа-частиц и углерода.

Ученым удалось смоделировать на компьютере состояние Хойла и исследовать взаимодействие протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Масса кварков является одним из основных параметров в природе и влияет на характеристики других частиц. Новые расчеты показали, что даже крошечное изменение в массе кварков меняет энергию состояния Хойла и, в свою очередь, влияет на формирование углерода и кислорода.

Получается, что масса кварка и состояние Хойла является ключевыми для образования жизни, подобной нашей. Если бы, например, энергия состояния Хойла была 479 кэВ или еще выше энергии трех альфа-частиц, то во Вселенной было бы слишком мало углерода, и жизнь на Земле никогда бы не возникла.

Что касается кислорода, то энергия состояния Хойла на уровне 279 кэВ привела бы к более раннему превращению гелия в углерод. Из-за этого углерода было бы в избытке, но звезды были бы холоднее и производили намного меньше кислорода. Ученые подводят итог: если бы масса кварков колебалась в пределах 2-3%, то в нашей Вселенной были бы проблемы с углеродом и кислородом. Так что нам крупно повезло, что физические параметры кварков «уложились» в эти узкие рамки и подарили нам жизнь.