Физики создают капли кварк-глюонной плазмы. Кварк-глюонная плазма Кварк глюонная плазма именно такие

Кварк-глюонная плазма — компьютерная модель

Кварк-глюонная плазма – состояние вещества, при котором последнее представляет собой набор глюонов, кварков и антикварков. Образование такой плазмы протекает аналогично образованию обычной плазмы.

Атомы обычного вещества в большинстве своем нейтральны, так как заряд их ядра компенсируется электроном, вращающимся вокруг ядра. С повышением температуры атомы ионизируются, то есть электрон получает достаточно энергии, чтобы покинуть свою орбиту, в результате чего имеется отдельно положительно заряженное ядро и отрицательно заряженный электрон. Такое состояние вещества и называется плазмой.

В случае с кварк-глюонной плазмой – компенсируется так называемый «цвет». Цвет – одна из характеристик кварков которые составляют частицу – адрон, и глюонов – которые «склеивают» кварки (являются переносчиками сильного взаимодействия).

Конфайнмент

Кварки и глюоны, составляющие адроны, в обычных условиях не способны находиться в свободном состоянии. Так, если попытаться «растащить» их на расстояние, большее, чем размер адрона (10 -13 см), энергия кварков и глюонов быстро и неограниченно возрастает. Явление невозможности разделить кварки называется «конфайнмент», что с английского переводится как «тюремное заключение». Описывается данное явление с использованием уже упоминаемой ранее характеристики – цвета. Таким образом в свободном состоянии могут существовать лишь составные из кварков объекты, которые имеют белый цвет. Например, протон состоит из кварков, цвета которых: зеленый, синий и красный, что в сумме дает белый.

Однако, существуют условия, при которых конфайнмент работает иначе. К таким условиям относится сверхнизкая температура или сверхвысокое давление. В случае таких условий волновые функции двух нуклонов (общее название протонов и нейтронов, составляющих ядро атома) перекрываются, говоря простым языком – эти частицы как бы «налезают друг на друга». Вследствие этого кварки перестают различать свои родные нуклоны и начинают свободно перемещаться по всему объему ядра, состоящего из этих нуклонов. Таким образом конфайнмент имеет место, однако объем его «тюремной клетки» в разы увеличивается. Следовательно, чем больше нуклонов соприкасаются и «накладываются», тем больше размер «клетки». Подобное явление может достигать макроскопических масштабов и более.

Существование и получение

Кварк-глюонная плазма возникает в результате «наложения» множества нуклонов друг на друга, вследствие чего кварки свободно перемещаются внутри объема ядра, состоящего из этих нуклонов. Подобная плазма существует в первую очередь в условиях повышенного давления, как например в ядрах нейтронных звезд. Однако, в 2005-м году американским ученым удалось получить кварк-глюонную плазму на коллайдере тяжелых ионов RHIC. На данном ускорителе удалось столкнуть ядра на скорости 99.99% скорости света, в результате столкновения выделилось 20000 ГэВ энергии, было достигнуто давление 10 25 –10 30 атмосферных давлений и температура 10 9 –10 10 К. Позже подобный эксперимент повторили на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНЕ при больших энергиях.

КВАРК-ГЛЮОННАЯ ПЛАЗМА, гипотетическое состояние сильновзаимодействующей материи, характеризующееся отсутствием удержания цвета (конфайнмента). В этом состоянии цветные кварки и глюоны, пленённые адронами, освобождаются и могут распространяться как квазисвободные частицы по всему объёму кварк-глюонной плазмы - возникает «цветопроводимость» (аналогично электрической проводимости в обычной электрон-ионной плазме). По современным представлениям, это состояние образуется при высоких температурах и/или больших барионных плотностях равновесной адронной материи.

В естественных условиях кварк-глюонная плазма существовала, по-видимому, только в первые 10 -5 с после Большого взрыва. Не исключено, что она может присутствовать и в центре наиболее массивных нейтронных звёзд. Есть основания считать, что атомные ядра в своём составе, кроме протонов и нейтронов, содержат «капельки» кварк-глюонной плазмы, т. е. ядра рассматриваются как гетерофазные системы.

Возможность существования кварк-глюонной плазмы тесно связана со спонтанным нарушением симметрии физического вакуума в квантовой хромодинамике (КХД) и с асимптотической свободой - убыванием эффективного цветового заряда с уменьшением расстояния между цветными частицами, с ростом температуры и/или плотности. Однако строгое математическое доказательство существования фазового перехода и удержания цвета в КХД пока отсутствует. Значительные успехи на пути решения этих сложных проблем достигнуты в компьютерных расчётах на пространственной решётке (смотри Решёточные теории поля).

Для экспериментальных исследований кварк-глюонной плазмы предлагается создать необходимые условия для её образования в лаборатории путём соударения тяжёлых ядер высокой энергии. Оценки показывают, что образующаяся в области столкновения ядер система будет существовать достаточно долго, её энергия и сжатие могут обеспечить достижение фазы кварк-глюонной плазмы при использовании уже действующих ускорителей тяжёлых ионов. В качестве наиболее важных сигналов, дающих информацию о формировании кварк-глюонной плазмы, предполагается использовать процессы образования лептонных пар, эмиссии фотонов и аномально большое число рождений странных частиц.

Лит.: Шелест В. П., Зиновьев Г. М., Миранский В. А. Модели сильновзаимодействующих элементарных частиц. М., 1976. Т. 2; Горенштейн М. И. и др. Точно решаемая модель фазового перехода между адронной и кварк-глюонной материей // Теоретическая и математическая физика. 1982. Т. 52. № 3; Фейнберг Е. Л. Термодинамические файрболы // Успехи физических наук. 1983. Т. 139. № 1.

Доктор физико-математических наук И. РОЙЗЕН.

Весной прошлого года в Центре европейских ядерных исследований (ЦЕРН) была получена кварк-глюонная плазма (см. "Наука и жизнь" № ). Это безусловно выдающееся достижение экспериментальной физики омрачено одним обстоятельством. Плазма, возникшая на миллиардные доли секунды, исчезает, порождая ливни вторичных частиц. А те, в свою очередь, реагируют между собой и распадаются на множество осколков последующих поколений. В результате до исследователей доходило только отдаленное эхо произошедшего события. О положительных результатах эксперимента приходилось судить лишь по совокупности косвенных данных. И только новые эксперименты на мощнейшем ускорителе тяжелых ионов на встречных пучках (коллайдере) RHIC, построенном недавно в США, позволят провести прямые наблюдения за материей в том состоянии, в котором она была в первые мгновения после рождения Вселенной.

Если рассматривать гроздь винограда издали, то она покажется единым целым. Подойдя ближе, мы увидим отдельные ягоды, которые "упакованы" вместе посредством некоего связующего каркаса. Предположим, что нам повезло и гроздь оказалась спелой. Тогда легким встряхиванием или пощелкиванием ягоды можно обсыпать, то есть сделать их "свободными", не связанными одна с другой. Размяв ягоды (как это делают при производстве вина) или разрушив их оболочки посредством достаточно энергичного соударения (например, пересыпая без должной осторожности из одного ящика в другой), мы убеждаемся, что внутри их имеются косточки, которые плавают в некоей желеобразной среде. Приложив еще большее разрушающее воздействие и воспользовавшись простеньким микроскопом, можно убедиться, что и косточки тоже не представляют собой сплошной и совершенно однородный монолит.

Прошу прощения у читателя за такое легкомысленное вступление к вполне серьезному разговору и хотел бы в этой связи процитировать рано ушедшего из жизни прекрасного поэта и физика Г. И. Копылова:

"Умей вопросы лишь поставить!
Вселенная - она проста ведь!
Порядок строг у ней на дне...
А что сумбур - так он извне..."

Слово "извне" тут, вероятнее всего, подразумевает - в наших головах. При всей своей наивности описанный выше пример уже содержит в себе указание, которое является стержневым для всего, о чем пойдет речь дальше: у нас есть два средства для проникновения в недра вещества - это давление и температура (последняя выступает в нашем примере неявно как энергия соударения частиц-виноградин). Иными словами, чтобы проникнуть в суть вещей, необходимо эти вещи так или иначе разрушить. Вряд ли стоит еще раз подробно рассказывать о том, что при нагревании твердые тела сначала плавятся (при этом атомы "вырываются" из узлов кристаллической решетки), а затем превращаются в газ, в результате чего атомы становятся почти свободными и, стало быть, в принципе, открывается возможность изучать каждый из них по отдельности. При дальнейшем повышении температуры их скорости возрастают, и из-за сильных разрушительных столкновений с них постепенно облетают все электроны и получается так называемая плазма (вот уже и появилось одно нужное нам слово, хотя еще совсем не та плазма, которая нас сейчас интересует). Это происходит при температурах в несколько тысяч градусов. Когда же становится совсем горячо (миллионы градусов, как в недрах Солнца), рассыпаются и сами атомные ядра - остаются лишь протоны, нейтроны и другие "элементарные" частицы; возникает адронная плазма. Но и такая температура - еще "собачий холод" по сравнению с той жарой, в которую нам вскоре предстоит мысленно погрузиться.

Менее очевидно, но тоже верно и то, что все перечисленные выше метаморфозы материи могут быть достигнуты и без повышения ее температуры, а посредством сжатия. Дело в том, что расхожие и общепринятые положения о несжимаемости кристаллов и жидкостей применимы только к весьма ограниченной области давлений, с которыми мы обычно имеем дело. По существу, всегда подразумевается: "несжимаемы по сравнению с легко сжимаемыми газами", что уже совсем верно. В действительности они еще как сжимаемы, но только не обычными прессами - необходимо значительно большая сила сжатия. Такая компрессия может быть достигнута в ударном (кратковремен ном) режиме - примером тому служит водородная бомба: в результате взрыва оболочки (атомной бомбы) происходит такое сжатие ее дейтериево-тритиевой "начинки", что запускается термоядерная реакция. Но наиболее надежное средство для достижения этой цели - могучие силы гравитационного притяжения, которые реализуются в таких плотных космических объектах, как, скажем, белые и черные карлики или нейтронные звезды. Ну и, конечно же, всего этого можно добиться совокупным воздействием давления и температуры - так чаще всего и бывает.

Все сказанное относится и к тому очень специфическому состоянию вещества, которое, по всей вероятности, возникает при еще более высоких температурах и давлениях (речь о нем пойдет ниже). Но прежде чем перейти непосредственно к этой теме, мы хотели бы обсудить более общий вопрос, обязательно возникающий у прагматически настроенного читателя, да и не только у него: кому и зачем все это нужно? Такой вопрос уже много раз адресовался исследователям в области фундаментальной науки - от "чистой" математики до теории электричества и ядерной физики, - и каждый раз ответ был один и тот же: сейчас не знаем, но уверены, что эти исследования найдут широкое практическое применение. Так всегда и получалось. Справедливости ради стоит отметить, что в истории с ядерной физикой даже многие выдающиеся ученые поначалу были уверены в обратном. Что из этого получилось, мы теперь знаем. Но у проблемы есть и другой аспект. Вряд ли кто-нибудь рискнет сейчас настаивать на том, что астрофизика (наука о строении и свойствах звезд и далекого космоса) и тесно связанная с ней космология (наука о возникновении и эволюции Вселенной) станут использоваться столь же явно в обозримом будущем (другое дело, геометрическая астрономия - та хотя бы нужна для навигации). А коли так, то "нам ли, брошенным в пространстве, обреченным умереть" тратить впустую свою драгоценную и невосполнимую жизнь на всю эту заумь? И тем не менее неослабевающий интерес, проявляемый к подобному кругу вопросов со стороны не только ученых, но и огромного числа просто любознательных людей, ощущающих себя каким-то образом причастными ко всем этим "фантасмогориям", несомненно показывает, что не хлебом единым жив человек и что на то он и homo sapience, чтобы время от времени смотреть на звезды и думать о них (правда, длительное созерцание этих загадочных и манящих точек приводит подчас и к таким непостижимым извращениям, как астрология, - см. "Наука и жизнь" №№ , 2000 г.). Кварк-глюонная плазма, к рассказу о которой мы сейчас приступаем, принадлежит, думается, к тому же кругу явлений природы.

Сейчас уже все знают (всего лишь тридцать лет назад об этом догадывались только отдельные ученые!), что многие элементарные частицы - так называемые адроны - вовсе не элементарны, а "состоят" из кварков и "склеивающих" их глюонов (чем не виноградины! - но есть и очень существенное отличие). Слово "состоят" взято нами в кавычки, потому что кварки и глюоны - это частицы, которых в обычных условиях нет: они всегда связаны в адронах и никогда не бывают свободными! (См. "Наука и жизнь" № 8, 1994 г.) Любая попытка "растащить" их на расстояние, намного превышающее 10 -13 см - типичный размер адрона, - неизбежно приводит к неограниченному возрастанию их энергии, что и означает полную бесперспективность такого занятия. Это их свойство принято называть конфайнментом (в переводе с английского - тюремное заключение). Оно описывается посредством придания им некоего специфического квантового числа, именуемого цветом, который, конечно же, не имеет ничего общего с созвучным ему зрительным образом (см. "Наука и жизнь" №№ , 2000 г.). В рамках этой терминологии конфайнмент означает невылетание (удержание) цвета: в свободном состоянии могут существовать только "белые" объекты - иначе говоря, определенные сочетания цветов, скажем красный + синий + зеленый или красный + антикрасный (в отличие от оптики такой здесь тоже возможен - он присущ определенному типу антикварков). Первый вариант отвечает протонам, нейтронам и вообще барионам (запомним это слово) - каждому кварку приписывается так называемый барионный заряд +1/3, а значит, каждому бариону - барионный заряд +1. Второй вариант - это мезоны, у них барионного заряда нет (так как барионный заряд антикварков равен -1/3). Полный барионный заряд изолированной системы частиц равен, очевидно, разности между числом барионов и антибарионов в ней. Подобно электрическому заряду, он сохраняется, и барионы хотя бы одного типа должны быть стабильны. Это протоны. По той же причине среди мезонов может и не быть стабильных - и таковых действительно нет (правда, часто так называют живущие очень долго - больше 10 -17 секунды!). Ведь ничто не мешает кварку и антикварку, составляющим мезон, в конце концов проаннигилировать, взаимно уничтожив свои барионные заряды. Здесь мы ставим точку в изложении хорошо известных положений, которое было необходимо, чтобы в дальнейшем избежать постоянных экивоков на множество других статей по этому поводу.

Теперь уже все готово для формулировки утверждения, которое представляет собой цель и смысл всего нашего повествования: конфайнмент присущ кваркам и глюонам только в "обычных" условиях (вспомним о "несжимаемости" кристаллов и жидкостей!), а в некоторых особых условиях его может и не быть. Физический смысл этих "особых условий" все тот же - при низких температурах (формально при Т = 0К) по мере сжатия тяжелого ядра отдельные его нуклоны начинают "налезать" друг на друга (на языке квантовой механики - перекрываются их волновые функции). В результате кварки и глюоны, принадлежащие при обычных внутриядерных условиях отдельным нуклонам, утрачивают своих "хозяев", раскрепощаются - "свой" и соседний нуклоны становятся для них неразличимыми - и начинают свободно перемещаться внутри всего объема сжатого ядра. Конечно, они по-прежнему подвержены конфайнменту, но размер "тюремной клетки" становится намного больше. А если таким же образом сжимаются N ядер, объем возрастает еще в N раз. При достаточно большом числе ядер он может стать вполне макроскопическим и даже огромным. И внутри всего этого объема кварки и глюоны будут перемещаться как обычные свободные частицы (подобно молекулам газа внутри занимаемого им объема). Свойство конфайнмента не то чтобы утрачивается - оно просто становится бессодержательным, что особенно очевидно, если N : происходит деконфайнмент кварков и глюнов. Такое состояние вещества называют кварк-глюонной плазмой. Оно, весьма вероятно, реализуется в недрах нейтронных звезд.

Не представляет труда оценить степень сжатия, при которой обычная ядерная материя должна превратиться в кварк-глюонную плазму. Хорошо известно, что объем ядра (из числа не самых легких) приблизительно в два-три раза больше суммарного объема всех образующих его нуклонов. Поэтому для того, чтобы прижать нуклоны друг к другу, достаточно уменьшить объем ядра всего лишь вдв ое-втрое. А если уменьшить его, скажем, в четыре раза, то волновые функции нуклонов перекроются настолько, что границы между отдельными нуклонами будут практически полностью разрушены. Может показаться - как просто! но попробуйте-ка сжать в два раза даже обыкновенную жидкость!

Описанный пример иллюстрирует переход к кварк-глюонной плазме посредством одного лишь сжатия, без повышения температуры. Другими словами - посредством увеличения плотности барионного заряда. С ростом температуры того же эффекта можно добиться и при меньшей его плотности за счет теплового рождения частиц (конечно, в подавляющем числе - пионов) при столкновениях. Эти частицы могут заполнить "пустоты" между барионами настолько, что волновые функции всех частиц - теперь уже барионов и мезонов - опять-таки перекроются и цвет (так часто говорят для краткости, когда имеют в виду кварки и глюоны в совокупности) снова сможет беспрепятственно распространяться по всему объему. Таким образом, кварк-глюонная плазма может также существовать и при малой, даже нулевой, плотности барионного заряда, но для этого необходима изрядная жара, примерно 10 12 К, по сравнению с которой температура в недрах Солнца (10 7 К) - невообразимый холод. Согласно современным космологическим представлениям, примерно такой была Вселенная через 10-30 микросекунд после рождения (Большого взрыва).

Здесь необходимо упомянуть еще об одном обстоятельстве. Теория предсказывает, что при подобных же "издевательствах" над материей (сжатии и/или нагреве) должен произойти еще один фазовый переход - восстановление так называемой киральной симметрии, обусловленное тем, что легкие кварки (u и d ), те самые "кирпичики", из которых составлено практически все вещество, становятся вообще безмассовыми. Сейчас существуют разные точки зрения на то, совпадают ли всегда либо только при определенных условиях или же никогда не совпадают эти два фазовых перехода. Если не совпадают, то несомненно, что восстановление киральной симметрии требует больших усилий, чем разрушение конфайнмента кварков и глюонов. Эта отдельная и очень интересная тема далеко выходит за рамки нашего разговора, и мы коснулись ее только для того, чтобы подчеркнуть, что кварк-глюонной плазмой принято называть именно кирально симметричную фазу. В свете сказанного приведенные выше оценки температуры и/или сжатия, необходимых для образования кварк-глюонной плазмы, могут оказаться несколько заниженными.

Теперь мы вплотную подошли к вопросу о том, останется ли навсегда кварк-глюонная плазма только игрой ума - так сказать, недоступной "вещью в себе", безвозвратно утраченной вместе с юностью Вселенной и навсегда похороненной в недрах бесконечно далеких нейтронных звезд, или же все-таки есть надежда "пощупать ее руками" прямо здесь, на Земле. Разумеется, нечего и говорить о том, чтобы воссоздать ее в каком-то перманентном режиме, сделать "вещью для нас", - мы знаем, насколько трудным оказалось совладать с "обычной" термоядерной плазмой. А вот не удастся ли получить ее хотя бы на краткий миг? Похоже, что такое возможно, хотя препятствий и проблем на этом пути великое множество. Правда, некоторые из них уже удалось преодолеть и решить.

Разумеется, единственное, что может сулить успех, это столкновения тяжелых ядер - лучше всего ядер атомов свинца, - разогнанных до очень высоких энергий в гигантских ускорителях. Последний из действующих - RHIC, релятивистский коллайдер ("столкновитель") тяжелых ионов - был введен в эксплуатацию совсем недавно в США. Он обеспечивает двадцатикратное повышение энергии столкновения ядер по сравнению с ускорителем, давно уже действующим в Европе (ЦЕРН, Швейцария), но в пятнадцать раз уступает по энергии строящемуся там же новому ускорителю, который должен вступить в строй через четыре-пять лет. Действительно, в столкновениях таких ядер участвует порядка 500 нуклонов, и вследствие сильного релятивистского сжатия вдоль направления движения плотность энергии в них очень высока. Это значит, что в результате их столкновения и остановки должна возникнуть ядерная материя с огромной плотностью энергии, которая пойдет, с одной стороны, на рождение большого числа новых (вторичных) частиц, а с другой - на очень сильный разогрев всей этой системы. Казалось бы, что еще нужно - воссоздаются те самые условия, которые имели место в очень юной Вселенной, когда ее возраст был всего несколько десятков микросекунд. Кстати, из-за этой аналогии описываемый сейчас процесс называют Малым взрывом (Little Bang). Однако далеко не все так просто. И главная трудность в том, что в нашем распоряжении нет и не может быть прибора, который явно и непосредственно зафиксировал бы возникновение кварк-глюонной плазмы и ее существование в течение нескольких мгновений (порядка 10 -23 секунды), после чего она, как говорят, адронизуется, то есть стремительно расширяется и остывает, а блуждавшие в ней свободно кварки и антикварки коагулируются в группки по две (кварк и антикварк) и три (три кварка) штуки и намертво запираются в хорошо известных нам адронах, каковыми являются мезоны (в основном пионы) и нуклоны (протоны и нейтроны). Первые достаточно быстро распадаются, образуя так называемые лептоны (m ± мезоны, электроны и позитроны) и фотоны, которые мы уже умеем так или иначе регистрировать. Если бы действительно оставались от минувшего ядерного катаклизма только они, то не имелось бы почти никаких шансов воссоздать весь ход процесса и сделать заключение, был ли в самом его начале тот самый краткий миг существования кварк-глюонной плазмы или нет.

Подобные намерения можно сравнить разве что с затеей художника нарисовать правдоподобный портрет Чеширского кота по одной только оставленной им загадочной улыбке или реставратора - воссоздать растаявшую снежную бабу по оставшейся от нее луже воды. Дело в том, что за несколько последующих мгновений ядерная материя успевает пройти очень долгий (в соответствующей происходящим в ней процессам временной шкале) путь эволюции, на каждом этапе которого из ее "памяти" энергично стиралась информация о его начале. К счастью, есть надежда, что она стерлась не полностью и некоторые следы "преступления" все-таки остались.

Кроме тех фотонов и лептонов, которые возникли описанным выше образом уже после того, как ядерная буря давным-давно закончилась, имеются еще и те, которые образовались значительно раньше в результате электромагнитных взаимодействий электрически заряженных частиц (кварков, мезонов, протонов), происходивших в ходе расширения ядерной материи, еще до окончатель ного ее разлета. И главная надежда тут на фотоны - их принято называть прямыми фотонами (в отличие от всех других - вторичных или распадных). Взаимодействуя с окружающей материей сравнительно слабо, они, однажды возникнув, выходят из адского ядерного пламени, как правило, "нетронутыми", так сказать, без "пересадок" - прямо с места события (потому и названы прямыми) - и, значит, могут "сообщить" кое-что о происходившем с самого начала. Конечно, по своей физической природе они идентичны всем остальным фотонам, но кинематические характеристи ки тех и других слегка различны: образовавшись при более высокой температуре, прямые фотоны обладают в среднем несколько большими поперечными (относительно линии сближения ядер) составляющими импульса. Чем выше энергия сталкивающихся ядер, тем выше начальная температура и, стало быть, тем больше должна быть их роль. Это вселяет определенную надежду заметить след, оставленный мимолетной кварк-глюонной плазмой.

Однако радоваться еще рано - трудности, стоящие на этом пути, вряд ли можно переоценить. Дело в том, что даже при очень высоких энергиях ожидаемое превышение специфических для плазмы сигналов над общим фоном, над всеми другими фотонами составляет, как правило, всего лишь несколько процентов. Поэтому убедиться в их реальном существовании, надежно отделить сигнал от возможных статистических и аппаратурных ошибок, мягко говоря, весьма и весьма непросто. Если указанный эффект все же достоверно установят и ему не удастся найти никакого альтернативного объяснения, прямые фотоны можно будет считать "посланниками" кварк-глюонной плазмы, и тогда по их количеству и кинематическим характеристикам станут судить о ее температуре, плотности и других свойствах.

Мы видим, что наряду с грандиозными экспериментальными проблемами большая нагрузка ложится и на теорию, которой отводится малоприятная задача доказать, что ряд тонких результатов эксперимента можно истолковать только одним способом. Исторически такое положение вещей вылилось в то, что за последние десять лет неоднократно предлагались "несомненные" критерии для суждения об образовании кварк-глюонной плазмы и на этой основе делались широковещательные заявления об ее открытии. Однако вскоре выяснялось, что соответствующий экспериментальный эффект допускает и другое объяснение. Последний раз такое случилось в марте 2000 года, когда было объявлено об открытии кварк-глюонной плазмы на европейском ускорителе (ЦЕРН, Женева) тяжелых ядер. Однако на сей раз это утверждение базировалось на "совокупно сти улик", что, конечно, делает его более весомым. Мы не будем сейчас перечислять эти "улики", хотя они и стоят того по той блестящей изобретательности ума, которая была продемонстрирова на при их поиске, - повторим только, что каждая из них не может служить доказательством, но все вместе они производят впечатление (кстати, одна из них - это те самые прямые фотоны с большими поперечными импульсами, о которых уже упоминалось выше). Теперь все взоры обращены на только что начавший работать новый американский ускоритель, позволяющий двадцатикратно повысить энергию столкновения тяжелых ядер. Думается, что окончательный ответ не за горами.

Очень хотелось бы закончить наш разговор на этой бодрой ноте, но объективности ради все же придется с большим сожалением подлить ложку дегтя в бочку меда. Завершаемый сейчас сюжет, как и многое другое, несомненно показывает, что дальнейшее погружение в бесконечную глубь пространства (субадронная динамика) и безначальную даль времени (астрофизика, космология) становится все более затратным и требует создания невероятно изощренных по замыслу и конструкции и исполинских по размерам экспериментальных установок. Например, диаметр кольца современных ускорителей достиг уже нескольких десятков километров, и совершенно очевидно, что это поколение ускорителей станет последним. Не менее впечатляют также габариты регистрирующей аппаратуры и виртуозность систем автоматической обработки данных, без которых ускорители остались бы всего лишь очень дорогостоящей и совершенно бессмысленной игрушкой. Но дело не только в этом. Быть может, еще более существенно, что знание, которого мы так взыскуем, становится все более и более опосредованным. Конечно, этот процесс начался с того самого момента, когда мы утратили возможность увидеть своими глазами или пощупать своими руками предмет исследования. Но теперь это, похоже, становится не по зубам и нашим приборам в том смысле, что им приходится иметь дело со все более отдаленными последствиями тех первичных процессов, до которых мы как раз и жаждем дотянуться, в то время как прямые следствия становятся все менее доступны. Почетная задача заполнить брешь, то есть установить причинно-следственную связь между тем, что было вначале, и тем, что реально поддается регистрации, ложится на плечи теории, которой, однако, тоже становится все труднее справляться с этим. В результате знание размывается. Ведь не от хорошей жизни научное суждение выносится "по совокупности улик" при том, что каждая из них сама по себе недостаточно убедительна, - это все-таки скорее из области судопроизводства, чем тот метод доказательства, который всегда был принят в так называемых точных науках. И явно неспроста в последние несколько десятилетий в научный обиход уже прочно вошло вполне благозвучное, но все-таки инородное для этого вида человеческой деятельности словечко "сценарий", почти явно узаконившее определенную амбивалентность научных суждений. Быть может, Природа и вправду таким образом и так неистово оберегает от нашего любопытства свои самые сокровенные тайны?

С ростом количества частиц, рождающихся в столкновениях протонов с протонами и с ростом количества странных кварков в исследуемых частицах растет выход странных адронов в столкновениях

Коллаборация ALICE (A Large Ion Collider Experiment) обнаружила свидетельства того, что в столкновениях протонов в Большом адронном коллайдере может образовываться кварк-глюонная плазма - сверхплотная и очень горячая жидкость, в которой составляющие адронной материи способны свободно перемещаться. Это состояние вещества характеризует Вселенную в первые микросекунды после Большого Взрыва. Обычно для получения кварк-глюонной плазмы используют тяжелые ядра (свинца или золота) - считается, что протоны слишком легки для этого. На необычную находку указало избыточное количество частиц со странными кварками, рождающееся в столкновениях. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics , кратко о нем сообщает пресс-релиз CERN.

Согласно Стандартной модели, протоны и нейтроны, из которых состоит вся окружающая нас обыкновенная материя, состоят из более мелких «кирпичиков» - кварков, связанных между собой глюонными полями (от слова glue - клей). Но если оторвать атом от молекулы или пару протонов и нейтронов от ядра атома возможно - и при этом образуется свободная неизменная частица, то оторвать свободный кварк от протона невозможно. Энергия, требующаяся для этого, оказывается огромной - ее достаточно, чтобы рядом с «отрываемым» кварком возник еще один кварк. Это явление называется конфайнментом.

Однако если сообщить системе кварков и глюонов в протоне или нейтроне большую дополнительную энергию - например, нагреть эту систему до эквивалента триллионов градусов, конфайнмент можно преодолеть. Кварки при этом начнут покидать пространство, занимаемое одним нуклоном, формируя кварк-глюонную плазму. Интересно, что этот объект ведет себя скорее как жидкость, чем как газ.

Лучший способ сообщить такое огромное количество энергии - взять две частицы и столкнуть их на большой скорости. Именно таким способом получали кварк-глюонную плазму на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) и в БАК. В качестве снарядов в ускорителях выступали ионы свинца или золота, сталкивающиеся друг с другом или с протонами (дейтронами).

Одним из убедительных сигналов образования кварк-глюонной плазмы является характер частиц, образующихся в ней - их фиксируют детекторы после распада плазмы. Из-за больших энергий в капле такой материи существуют не только верхние и нижние кварки (валентные кварки протонов и нейтронов), но и более тяжелые - странные и очарованные кварки. Оказывается, что среди рождающихся частиц чаще всего можно встретить именно странные адроны (каоны, лямбда-частицы и так далее), а рождение очарованных частиц (например, J/ψ-мезона) подавляется по сравнению с рождением в вакууме. За это ответственны процессы, напоминающие экранирование зарядов. Подробнее об этом можно прочесть, например, .

Авторы новой работы впервые обнаружили избыточный выход странных частиц в столкновениях протонов с протонами. Физики анализировали данные, собранные детектором ALICE за Run 1 Большого адронного коллайдера (2009-2013) - когда энергия столкновений составляла семь тераэлектронвольт. Оказалось, что явление наблюдается в редких столкновениях протонов, когда рождается сразу большое количество частиц. Чем больше появляется частиц в результате столкновения, тем больше темпы рождения странных адронов, а также, чем больше странных кварков в странном адроне, исследуемом авторами, тем сильнее для него проявляется эта закономерность.

По словам Федерико Антинори, физики очень воодушевлены открытием. «Мы узнали многое о состоянии первичной материи. То, что мы обнаружили явление, которое обычно встречается в кварк-глюонной плазме, в небольшой и простой системе - столкновении двух протонов - открывает целое новое измерение для исследования состояния, из которого возникла наша Вселенная».

Вместе с тем, избыточный выход странных частиц в протон-протонных столкновениях не предсказывается современными теориями. Так как поведение системы оказывается похожим на столкновения ядер свинца с ядрами свинца, или с протонами, физики отмечают, что может существовать неизвестный механизм, общий для всех этих процессов.

Общепринятой в настоящее время моделью образования Вселенной является образование Вселенной в результате Большого взрыва. В этой модели в интервале времени 10 -10 –10 -6 с после Большого взрыва материя существовала в виде кварк-глюонной плазмы. Для изучения характеристик Вселенной в этот интервал времени в настоящее время в лабораторных условиях можно воспроизвести существовавшие в это время плотность и температуру материи. Пока единственной возможностью является столкновение двух тяжелых атомных ядер ускоренных до энергий больше сотни ГэВ. В результате лобового столкновения в объёме примерно равном объёму атомного ядра могут быть получены плотность и температура, существовавшие в первые мгновения жизни Вселенной.

Кварк-глюонная плазма

Эксперименты по изучению кварк-глюонной плазмы ведутся на самых крупных ускорителях при максимально возможных энергиях сталкивающихся пучков релятивистских ядер.

Таблица 19.1

Максимальная энергия столкновения,
отнесенная к одному нуклону

В таблице 19.1 приведены энергии столкновения, отнесенные к одному нуклону, сталкивающихся ядер, достигнутые на ускорителях Bevatron (Billions of eV Synchrotron), AGS (Alternating Gradient Synchrotron) и RHIC (Relative HeavyIon Collider) в Брукхевенской лаборатории BNL (Brookhaven National Laboratory) и на ускорителе LHC (Large Hardon Collider) в ЦЕРН. Запуск Большого адронного коллайдера LHC позволяет практически на порядок увеличить энергию столкновения . В столкновениях протонов с ядрами Pb может быть получена максимальная энергия = 8.8 ТэВ.
Релятивистские ядра в ускорителе RHIC движутся со скоростью 99.99% скорости света. При столкновении двух релятивистских ядер золота в объёме диаметром R ≈ 10 -12 см выделяется энергия ≈20000 ГэВ. В результате образуется кварк-глюонная плазма, состоящая из кварков, антикварков и глюонов. В результате последующей адронизации образуются 3–5 тысяч частиц, вылетающих из образовавшегося объёма файербола. Давление в среде превышает атмосферное в 10 25 –10 30 раз, а температура достигает 10 9 –10 10 К.
Образование кварк-глюонной плазмы происходит в результате сильного взаимодействия между партонами (кварками, глюонами), входящими в состав нуклонов сталкивающихся ядер. В первых работах, посвященных образованию кварк-глюонной плазмы при столкновении релятивистских ядер, считалось, что при температуре T ≈ 170 МэВ и плотности энергии ≈ 1 ГэВ/фм 3 происходит фазовый переход первого рода, при котором резко изменяются плотность и температура среды. По оценкам при этих параметрах плотность кварк-глюонной плазмы в два раза больше плотности энергий в нуклоне (0.5 ГэВ/фм 3) и почти в десять раз больше плотности энергии в атомном ядре (0.14 ГэВ/фм 3).
На рис. 19.1 показано, как изменяется плотность энергии кварк-глюонной плазмы в зависимости от температуры плазмы. Центральный вопрос образования кварк-глюонной плазмы – какая плотность энергии может быть достигнута в ядро-ядерных столкновениях и как она эволюционирует со временем? Ответ на этот вопрос зависит от того, какую долю энергии теряет каждый нуклон, ускоренных ядер при столкновении пучков.

Рис. 19.1. Зависимость плотности энергии от температуры. Символы – результаты расчетов на решетке. Линии проведены для удобства различать расчеты для разных условий.
Кривая 2 – расчеты с массой странного кварка, в четыре раза превышающей массу u- и d-кварков .

Анализ продуктов реакции выполненный на детекторе BRAHMS показывает, что потери энергии составляют 40–85% первоначальной энергии нуклона. Обычно выделяются три различные стадии столкновения ядер.

1. Максимальная плотность достигается в момент времени полного перекрытия сталкивающихся ядер.
2. Максимальная плотность энергии, переданная частицам, рожденным в файрболе.
3. Максимальная плотность энергии в момент локальной термализации кварк-глюонной плазмы.

На рис. 19.2 показаны время и плотность энергии в соответствии со сценарием развития ядро-ядерных столкновений в модели, предложенной Бьёркеном. Оцененное время пересечения сталкивающихся ядер для трех значений энергии полученных на ускорителях AGS, SPS и RHIC составляет соответственно

где с − скорость света.

Рис. 19.2. Схематическое изображение времен и плотностей энергии в соответствии с предложенной Бьёркеном сценарием развития временипространственной картины ядро-ядерных столкновений .

На основе достаточно реалистических моделей было показано, что при столкновении ядер время формирования файрбола (время формирования вторичных частиц) обычно несколько больше, чем время пересечения сталкивающихся ядер τ

Где R − радиус сталкивающихся ядер. Для сталкивающихся ядер Au + Au ускорителя RHIC получены следующие оценки, приведенные на рис. 19.2. Время формирования файрбола τ форм = 0.35 фм/с, плотность энергии ε форм = 15 ГэВ/фм 3 . Время термализации τ терм ≈ 0.5 фм/с, плотность энергии ε терм =5.4 ГэВ/фм 3 . Образующийся файрбол содержит примерно одинаковое число кварков и антикварков.

Для анализа продуктов ядро-ядерных столкновений и получения информации о свойствах образующейся кварк-глюонной плазмы важно насколько перекрываются сталкивающиеся ядра. Для этого вводится параметр центральности столкновения.

Рис. 19.3. Схематическое изобра­жение области взаимодействия, образующейся в первые мгнове­ния после нецентрального ядро-ядерного столкновения. Сталкивающиеся ядра движутся вдоль оси Z .

При центральном столкновении число образующихся вторичных частиц максимально. Если столкновение нецентральное, то перекрытие ядер получается неполным и кварк-глюонную плазму порождают только часть протонов и нейтронов из каждого ядра. Поэтому образующийся файрбол расширяется во все стороны несимметрично (рис. 19.3).

Рис. 19.4. Величина потерь быстроты первичными нуклонами в зависимости от энергии столкновений. Заштрихована нефизическая область. Пунктирная линия показывает аппроксимацию данных AGS и SPS феноменологической зависимостью δy = 0.58y p . На вставке показаны использованные в работе [Bearden I. G. et al (BRAHMS Collab.) II Phys. Rev. Lett. 2004. V.93. P. 1020301] аппроксимации распределения плотности первичных барионов на полную область быстрот.

Объясняется это тем, что расширение файрбола происходит за счет разности давления, которое уменьшается от центра файрбола к периферии. В сплющенном направлении этот перепад давления больше, чем в вытянутом, поэтому возникает несимметричный поток в кварк-глюонной плазме - эллиптический поток разлетающихся частиц из области столкновения тяжелых ядер. Наблюдение эллиптического потока при нецентральном соударении тяжелых ядер свидетельствует о том, что при столкновении ядер действительно образуется состояние кварк-глюонной плазмы, которое характеризуется тем, что в нем частицы неоднократно сталкиваются друг с другом. Для такого состояния можно ввести понятие температуры, вязкости и другие термодинамические величины, характеризующие вещество, в этих терминах можно описывать и изучать явления, происходящие при остывании кварк-глюонной плазмы. Такое гидродинамическое объясне­ние эллиптического потока образующихся частиц свидетельствует о том, что кварк-глюонная плазма по своим характеристикам скорее напоминает жидкость, чем газ частиц. Частицы в кварк-глюонной плазме интенсивно сталкиваются друг с другом, а не пролетают мимо как в разреженной газовой среде. Впервые эллиптический поток был обнаружен в экспериментах RHIC. C увеличением энергии на Большом адроном коллайдере он стал более ярко выражен (рис. 19.4).
Поскольку при столкновениях тяжелых ионов число вторичных частиц достаточно велико, вполне оправдан статистический подход для определения выхода отдельных адронов. На рис. 19.5 показана зависимость отношения выходов каонов, протонов и антипротонов в зависимости от центральности столкновения. Центральность столкновения определяется по числу частиц, образующихся в каждом столкновении. Чем больше центральность, тем больше образуется частиц. Видно, что отношение выходов достигает насыщения уже при 100 регистрируемых частицах.
На рис. 19.6 показано отношение выходов различных частиц для центральных столкновений (число регистрируемых частиц = 322) ядер Au + Au при максимальных энергиях RHIC 200 ГэВ, измеренное на различных детекторах. Важно отметить, что отношение выходов частиц и античастиц оказывается близким к 1.