Кварк глюонная плазма именно такие. Идеальная жидкость - кварк-глюонная плазма обладает самым быстрым вихревым движением
Steve Jurvetson / flickr.com
Физики-теоретики из Университета штата Айова показали, что магнитное поле, которое создают потоки заряженных частиц внутри кварк-глюонной плазмы, не превышает десяти процентов от поля внешних электронов. Это значит, что эволюцию магнитного поля и кварк-глюонной плазмы можно «развязать», то есть рассматривать их по отдельности. Статья опубликована в Physical Review C , препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
В обычных условиях материя состоит из стабильных нейтральных «кирпичиков» - атомов, в которых положительный электрический заряд ядра скомпенсирован отрицательным зарядом окружающих его электронов. С другой стороны, если нагреть вещество до достаточно большой температуры, электроны оторвутся от ядер (частично или полностью), и «кирпичики», из которых сложена материя, нейтральными быть перестанут. При этом в целом вещество останется квазинейтральным, то есть совсем далеко заряженные частицы разбегаться не будут - характерную длину «разбегания» частиц можно сравнить с радиусом Дебая . Такое состояние вещества называют плазмой . Электрическая плазма возникает в звездах, внутри которых температура может достигать нескольких миллионов градусов, в ионосферах планет и во время вспышек молнии.
В то же время, если заглянуть еще на уровень глубже, окажется, что протоны и нейтроны, из которых складывается привычная для нас материя, а также другие адроны не являются по-настоящему элементарными частицами, но состоят из кварков . В обычных условиях кварки могут существовать только в составе адронов из-за конфайнмента - аналогично тому, как электроны, протоны и нуклоны связываются в атомы. Кроме того, каждый кварк обладает собственным цветным зарядом , который является аналогом электрического заряда для сильного взаимодействия, но в сумме заряды кварков всегда друг друга компенсируют, подобно электрическим зарядам в атомах. Например, барионы обязательно содержат по одному синему, красному и зеленому кварку, а мезоны - по кварку и антикварку. По аналогии с атомами можно сказать, что «кирпичики», из которых состоит материя, в целом бесцветны, то есть имеют нулевой цветной заряд.
Более того, оказывается, что эту аналогию можно продолжить и дальше. В середине 1980-х годов физики-теоретики показали , что при достаточно большом давлении и температуре адроны «растворяются» друг в друге, а входящие в их состав кварки свободно гуляют по всему объему вещества - возникает так называемая кварк-глюонная плазма (КГП). Температура такого фазового перехода значительно превышает температуру перехода в состояние обычной плазмы и достигает двух триллионов градусов (в более привычных для физиков единицах это отвечает энергии около 150 мегаэлектронвольт). Предполагается , что вещество Вселенной находилось в состоянии кварк-глюонной плазмы в первые десять пикосекунд после Большого взрыва, что может объяснить наблюдаемую асимметрию между материей и антиматерией. Получается, что для понимания происходящих тогда процессов важно хорошо изучить свойства КГП.
В настоящее время физики умеют получать кварк-глюонную плазму, разгоняя до огромных энергий и сталкивая на коллайдерах ионы тяжелых элементов. Правда, в таких столкновениях плазма возникает всего на несколько десятков йоктосекунд (10 −24 секунды). Тем не менее, этого достаточно, чтобы кварки перегруппировались и образовали характерные продукты реакций, по которым физики распознают и изучают свойства КГП. К сожалению, в таких столкновениях также рождаются очень сильные электромагнитные поля, которые могут влиять на свойства кварк-глюонной плазмы. В ноябре прошлого года группа физиков-теоретиков из Индии, Японии и Германии показала , что влиянием фонового электромагнитного поля на динамику плазмы можно пренебречь. Однако, чтобы окончательно «развязать» магнитное поле и КГП, нужно убедиться, что плазма не производит сильных магнитных полей сама по себе.
В новой статье физики-теоретики Эван Стюарт (Evan Stewart) и Кирилл Тучин (Kirill Tuchin) показали, что это действительно так, и магнитным полем, которое генерирует кварк-глюонная плазма сама по себе, можно пренебречь по сравнению с внешним полем, создаваемым оставшимися от ионов и продолжившими движение электронами. Для этого ученые выписали и аналитически решили уравнения Максвелла, то есть нашли запаздывающую функцию Грина системы ионов. Грубо говоря, эта функция связывает воздействие, которое прикладывается к системе, и ее отклик на воздействие. Оказалось, что в данном случае функцию Грина можно разбить на два независимых члена, один из которых отвечает «импульсу», генерируемому электронами (pulse), а другой - постепенно усиливающемуся полю, создаваемому электрическими токами внутри плазмы (wake).
Геометрия системы, для которой физики рассчитывали магнитное поле: вид сбоку. Кварк-глюонная плазма - это овал в центре рисунка
Геометрия системы, для которой физики рассчитывали магнитное поле: вид сверху. Кварк-глюонная плазма - это овал в центре рисунка
E. Stewart & K. Tuchin / Phys. Rev. C
Затем физики рассчитали с помощью найденных функций Грина векторный потенциал и магнитное поле в статичной плазме, объем которой не меняется со временем. Оказалось, что оба этих поля со временем затухают, причем поле токов внутри плазмы спадает медленнее. Тем не менее, вплоть до периодов времени порядка трехсот йоктосекунд, это поле значительно меньше поля «импульса», а при бо́льших периодах кварк-глюонная плазма перестает существовать. Это значит, что на практике электрическими токами внутри статичной плазмы можно пренебречь.
Наконец, ученые сравнили магнитное поле «импульса» и токов в расширяющейся со временем плазме, предполагая, что выражения, в которые входит скорость расширения, сравнительно малы, и их можно рассматривать в качестве возмущений к случаю статичной плазмы. Оказалось, что даже в этом случае вклад в магнитное поле электрических токов внутри плазмы не превышает десяти процентов в ходе всего рассматриваемого промежутка времени, в течение которого корректно говорить о существовании кварк-глюонной плазмы. Таким образом, авторы статьи заключают, что КГП не производит сильных магнитных полей сама по себе - следовательно, эволюцию магнитного поля и кварк-глюонной плазмы можно «развязать», то есть рассматривать по отдельности.
Рис 1. Пример визуализации события при столкновении пучков ионов свинца на эксперименте ATLAS
Изучение Кварк-Глюонной плазмы
Одно из направлений группы МИФИ в ATLAS эксперименте является поиск сигналов нового состояния вещества, называемого кварк-глюонной Плазмой (КГП). При больших плотностях энергии, мельчайшие элементарные составляющие материю частицы - кварки и глюоны (жёстко связанные между собой законами Квантовой Хромодинамики) - обретают асимптотическую свободу. Этот фазовый переход материя способна осуществить при температуре 2.500 гигакельвин, что в 100000 раз горячее, чем в ядре Солнца.
При столкновениях ядер свинца на Большом Андонном Колладере плотность энергии возникающей при этом ядерной материи в 30 раз превышает то, что было достигнуто ранее, что вполне может быть достаточно для рождения кварк-глюонной плазмы, то есть состояния в котором кварки и глюоны находятся в состоянии деконфайнмента. Исследование такого состояния вещества позволяет провести тщательнейшую проверку законов Квантовой Хромодинамики (КХД).
Группа МИФИ в настоящее время проводит исследования по следующим направлениям:
- Изучение множественности рождения заряженных частиц в p+Pb столкновениях;
- Изучение рТ спектров заряженных частиц в p+Pb столкновениях;
- Масштабирование рождения Z бозонов в Pb-Pb столкновениях;
Исследования выполняются при тесном сотрудничестве с Columbia University (US), Brookhaven National Laboratory (US), CERN (EU), Weizmann Institute of Science (Israel).
Наиболее важные результаты исследований показаны на рисунках ниже.
Результаты восстановления Z бозонов для ee и μμ мод распада (левый рисунок) подтверждают отсутствие подавления их рождения сверхгорячей ядерной средой.
Исследования множественности заряженных частиц (центральный рисунок) позволяют существенно уменьшить неопределённости в теоретических моделях описывающих протон-йонные столкновения.
Исследование распределения заряженных частиц по поперечному импульсу (правый рисунок) позволяет исследовать глюонные распределения, а так же нелинейные эффекты насыщения, которые могут наблюдаться в волновых функциях нуклона (Pb) и протона.
Рис 2. Распределения инвариантной массы of Z -> ee (слева) и Z -> μμ (справа) в данных и MС.
Рис 3. Распределения по псевдобыстроте измеренной плотности заряженных частиц dN ch /dη для нескольких интервалов центральности p+Pb столкновений при энергии в системе центра масс √(S NN) =5.02 ТэВ
Рис 4. Инвариантные дифференциальные спектры заряженных частиц в р+Pb столкновениях при энергии в системе центра масс √(S NN) =5.02 ТэВ
Статьи и доклады на конференциях:
- ATLAS Collaboration; «Measurement of Z Boson Production in Pb-Pb Collisions at √(S NN)=2.76 TeV with the ATLAS Detector»; Phys. Rev. Lett 110, 022301 (2013)
- ATLAS Collaboration; «Measurement of the centrality dependence of the charged particle pseudorapidity distribution in proton-lead collisions at √(S NN) = 5.02 TeV with the ATLAS detector»; ATLAS-CONF-2013-096
- ATLAS Collaboration; «Transverse momentum, rapidity, and centrality dependence of Charged Particle Production in p+Pb √(S NN)=5.02 TeV collisions measured by ATLAS experiment at the LHC»; ATLAS-CONF-2013-107
- Shulga, E; «Centrality dependence of charged particle production in proton-lead collisions measured by ATLAS»; Int. Conference on the Initial Stages of High-Energy Nuclear Collisions. 8-14 September 2013
Контакты:
Шульга Евгений Александрович
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?
Прошло всего три недели с начала работ по столкновению тяжелых ионов в Большом адронном коллайдере, и физики трех экспериментов (ALICE, CMS и ATLAS) уже получили первые данные о том, какой была материя в самые ранние мгновения существования Вселенной. Эксперимент ALICE (A Large Ion Collider Experiment), специально оптимизированный для изучения тяжелых ионов (сейчас сталкиваются пучки ионов свинца), уже опубликовал первые данные, свидетельствующие об образовании так называемой кварк-глюонной плазмы.
Это состояние, в котором находилась вся материя через примерно 0,00000000001 секунды после Большого взрыва.
В тот момент даже элементарные частицы — протоны и нейтроны — еще «не собрались» из составляющих их кварков и глюонов. Их температура и скорости движения были слишком высокими для формирования частиц, поэтому они составляли лишь смешанную «жидкость» — кварк-глюонную плазму. ALICE удалось наблюдать так называемый эллиптический поток, напрямую говорящий о возникновении кварк-глюонной плазмы.
Несколько дней назад коллаборации ATLAS и CMS сообщили об обнаружении еще одного эффекта, характерного для образования этого экстремального состояния вещества, - гашения адронных струй. Работа физиков ATLAS принята к публикации в журнале Physical Review Letters , а
в четверг в CERN состоится семинар, на котором будут доложены все последние результаты коллабораций.
«Поистине впечатляет то, как быстро эксперименты пришли к этим сложным физическим результатам. Коллаборации соревнуются друг с другом в быстроте публикаций материала, однако, конечно, работают вместе, чтобы создать полную картину изучаемых явлений и провести перекрестное сравнение результатов. Это прекрасный пример того, как работают конкуренция и сотрудничество - ключевые точки в этой области исследований», — отметил Серджио Бертолуччи, директор CERN по исследованиям, слова которого приводит пресс-служба организации .
Эксперименты БАК в основном изучают одни и те же явления, однако конструкции их принципиально различаются.
Это позволяет наблюдать происходящие при столкновении пучков частиц события разными методами, более четко регистрировать их и проверять, является ли наблюдение следствием возникновения некого эффекта или это лишь «шумы». Только при получении одних и тех же данных несколькими методами их считают достоверными.
Изучение кварк-глюонной плазмы - один из приоритетов работы БАК. Это поможет не только понять, как выглядела Вселенная сразу после рождения, но и изучить процесс формирования современной материи.
Кварк-глюонная плазма - максимально «распределенное» состояние вещества, где частицы - кварки и глюоны — не связаны так называемыми сильными взаимодействиями, которые сейчас поддерживают существование протонов, нейтронов и вообще всех ядер Периодической системы имени Менделеева, из которых состоит наш мир - живой и неживой.
Изучая кварк-глюонную плазму, ученые надеются лучше разобраться в природе сильного взаимодействия.
Как же создается это небывалое состояние в БАК? При столкновении ионов свинца - очень тяжелых частиц (они тяжелее протонов примерно в 200 раз) — в точке пересечения пучков концентрируется достаточно энергии, чтобы создать в очень маленьком объеме «микрокапельки» «первобытной» материи. Ее присутствие регистрируется по ряду особых сигналов, которые способна измерить аппаратура детекторов БАК.
В работе коллаборации ALICE говорится, что горячая кварк-глюонная плазма ведет себя, как жидкость с очень низкой вязкостью (идеально текучая среда). Эти данные согласуются с полученными ранее на коллайдере RHIC (The Relativistic Heavy Ion Collider, релятивистский коллайдер тяжелых ионов, Брукхейвенская национальная лаборатория, Нью-Йорк).
«Теперь, когда мы начали сталкивать тяжелые ядра, БАК стал настоящим «прибором Большого взрыва» — это звучит как фантастика. Наши наблюдении кварк-глюонной плазмы подтверждают данные коллег с RHIC, однако уже сейчас мы можем отметить дополнительные важные особенности», — отметил Юрген Шукрафт, руководитель коллаборации ALICE.
Эксперименты ATLAS и CMS эффективно наблюдали гашения струй, так как их системы позволяют очень эффективно «герметизировать» энергию и измерять ее выделение. Измеряют они, в частности, струи частиц, возникающие при столкновениях. Струи, возникающие при столкновениях протонов, чаще всего появляются парами.
Однако при столкновении тяжелых ионов струи взаимодействуют в жестких условиях горячей очень плотной среды.
В результате возникает очень характеристичный сигнал, известный как гашение струй, выражающийся в резком падении их энергии. Это значит, что при столкновении частиц в детекторе возникает среда, гораздо плотнее любой известной материи. Гашение струй - хороший параметр для детального изучения поведения плазмы.
Столкновение пучков свинца в БАК продолжится до 6 декабря. Затем коллайдер будет остановлен на несколько месяцев.
Большой адронный коллайдер - самый крупный и мощный в мире кольцевой ускоритель элементарных частиц. Он находится под землей в 27-километровом тоннеле на территории Швейцарии и Франции недалеко от Женевы в Европейском центре ядерных исследований (CERN). Активная фаза работы коллайдера началась в конце мая 2010 года. Четыре детектора гигантского прибора (CMS, ATLAS, ALICE и LHCb) занимаются изучением состояния вещества во Вселенной сразу после Большого взрыва, поисками бозона Хиггса - частицы, которая дает начало массе во Вселенной, а также поиском «новой физики» — явлений за пределами Стандартной модели, господствующей современной теории физики частиц.
До сих пор кварк-глюонная плазма встречалась физикам только в столкновениях двух тяжелых ядер высокой энергии. Считалось, что в несимметричных столкновениях, когда очень легкое ядро ударяет по тяжелому, нужных для кварк-глюонной плазмы условий достичь не удается. Однако коллаборация PHENIX, изучив столкновения ядер гелия-3 и золота, утверждает, что плазма образуется и тут, но только в маленьких, субъядерных объемах. Эти результаты подтверждают недавние догадки теоретиков о том, как этот процесс может происходить. Статья коллаборации опубликована в журнале Physical Review Letters , а ее предварительная версия доступна в архиве электронных препринтов arxiv.org .
Надо сказать, что, несмотря на многочисленные эксперименты, долгое время не удавалось четко доказать, что кварк-глюонная плазма действительно возникает в ядерных столкновениях, пусть и на краткое мгновение в десятки йоктосекунд . Проблема тут в том, что, моментально расширившись и остыв, кварк-глюонная плазма распадается на отдельные адроны. Они разлетаются во все стороны, детектор их регистрирует и восстанавливает общую картину разлета, но он неспособен просто так определить, родились они сразу в виде адронного газа или же прошли через стадию горячей жидкости.
Опознать формирование кварк-глюонной плазмы можно разными способами. Прежде всего, внутри горячей ядерной «капельки» должны быть настоящие гидродинамические течения. После распада плазмы на адроны, они должны проявиться в виде адронных эллиптических потоков и потоков более сложной формы (рис. 1 и 2). Существуют и более тонкие эффекты, например гашение струй , когда они пытаются продраться сквозь кварк-глюонную плазму, и плавление адронов внутри горячей плазмы.
Когда в начале 2000-х коллайдер тяжелых ионов RHIC сталкивал разные ядра, то работавшие на нем коллаборации PHENIX и STAR видели проявления кварк-глюонной плазмы в столкновении двух ядер золота (Au+Au), но не видели их в несимметричных столкновениях легчайшего ядра дейтерия с золотом (d+Au). Это интерпретировалось так: для возникновения плазмы требуется «всадить» в ядро достаточно энергии, чтобы по всему объему ядра произошло плавление протонов и нейтронов. Столкновение Au+Au этот порог преодолевает, а d+Au — нет.
В 2011-2012 годах детектор PHENIX был существенно модернизирован, в него были доустановлены новые компоненты, которые позволили ему собирать больше данных при столкновениях лоб в лоб, а также лучше измерять свойства адронов. В 2013 году новые эксперименты по столкновению d+Au уже показали некоторые намеки на коллективные эффекты, которые напоминают следы кварк-глюонной плазмы. Да и Большой адронный коллайдер, сталкивавший протоны с ядрами свинца, тоже обнаружил некоторые корреляции адронов. Все эти новые данные как-то не слишком вязались с общим утверждением, что в таких несимметричных столкновениях выделившейся энергии недостаточно для плавления ядра.
Обсуждая эти не вполне ясные закономерности, физики задумались о такой возможности: а может ли оказаться, что плавление ядра и образование кварк-глюонной плазмы происходит не во всем ядре, а только в маленькой «горячей зоне», в месте непосредственного удара протона по ядру? В 2014 году было опубликовано конкретное предложение по проверке этой идеи (J. L. Nagle et al., 2014. Exploiting Intrinsic Triangular Geometry in Relativistic 3 He+Au Collisions to Disentangle Medium Properties). Авторы предлагали экспериментаторам провести серию экспериментов по столкновению протона, дейтрона и гелия-3 с тяжелым ядром и измерить азимутальные характеристики разлетающихся адронов.
Если при ударе каждого нуклона большой энергии по ядру действительно образуется канал кварк-глюонной плазмы, то зона плавления будет иметь вид, как на рис. 3. А это значит, что при переходе от протона к дейтрону резко увеличится эллиптический поток, а при переходе к гелию-3 — «треугольный». На рис. 1 показаны результаты теоретического моделирования того, как должна расширяться текущая кварк-глюонная плазма и какие скорости приобретут адроны после ее распада. Вычисления показали, что такой треугольный поток должен проявиться даже несмотря на то, что ему при расширении придется продираться сквозь нерасплавившуюся часть ядра. Если же корреляции не связаны с образованием кварк-глюонной плазмы, а возникают, например, из-за особого состояния ядер до столкновения (скажем, как в модели плазмы), то такой сильной закономерности наблюдаться не должно.
И вот совсем недавно эксперимент PHENIX выполнил ключевой из трех предложенных экспериментов (данные по d+Au уже имеются, а по p+Au появятся позднее). В ходе столкновений гелия-3 с ядрами золота на коллайдере RHIC в 2014 году было накоплено примерно полмиллиарда событий с большим числом рожденных частиц, что отвечает столкновениям лоб в лоб. Распределение рожденных частиц по азимультальному углу и по поперечному импульсу было измерено с очень высокой точностью, что позволило надежно выделить компоненты, описывающие эллиптический и треугольный потоки. Для устранения систематических погрешностей проводилось сравнение с более ранними результатами того же коллайдера по протон-протонным столкновениям, где эллиптического и треугольного потоков не должно было быть.
На рис. 4 показаны результаты по измерению эллиптического и треугольного потоков в столкновениях 3 He+Au. Их интенсивность характеризуется коэффициентами v 2 и v 3 . В согласии с предсказаниями разнообразных моделей, учитывающих гидродинамические течения при образовании и разлете кварк-глюонной плазмы, оба этих коэффициента растут с поперечным импульсом адронов. Между самими этими моделями есть некоторые различия, но они все, за исключением одной, корректно воспроизводят тренд. Попытки описать эти данные без учета кварк-глюонной плазмы дали бы намного меньшие значения для треугольного потока.
Полученное согласие является сильным указанием на то, что в тот момент, когда встречный нуклон — не важно, один или в составе встречного ядра, — вонзается в ядро на большой энергии, он плавит ядерную материю в месте попадания. На мгновение там образуется крошечная капелька кварк-глюонной плазмы. Если встречное ядро было большое, то все эти капли сливаются и приводят к плавлению ядер целиком — это именно то, что наблюдалось раньше. Но даже если ядро маленькое, как в случае гелия-3, локальное плавление все равно происходит, просто капля кварк-глюонной плазмы остается крошечной, субъядерных масштабов. Таким образом и без того сложная многоэтапная картина столкновений релятивистских ядер дополняется еще одной подробностью.
Все это выглядит очень интригующе и порождает вопрос: а какова минимальная ядерная система, в которой способна возникнуть кварк-глюонная плазма? Выражаясь простым языком, какова самая маленькая капля кварк-глюонной плазмы? Если она возникает в столкновении 3 He+Au, может ли она образоваться при сильном ударе протоном по тяжелому ядру? А в столкновениях двух протонов сверхвысоких энергий? А тот любопытный хребет в распределении адронов в событиях с экстремально большим количеством рожденных адронов, который Большой адронный коллайдер обнаружил еще в 2010 году , — он точно никак не связан с кварк-глюонной плазмой?
Все эти вопросы можно объединить в одну группу: вопросы о происхождении коллективных эффектов в малых адронных коллективах. Они сейчас все больше интересуют физиков; достаточно упомянуть недавний краткий обзор результатов PHENIX на эту тему, а также то, что на прошедшей недавно конференции Quark Matter 2015 этот круг вопросов был вынесен в отдельную секцию. Будущие результаты PHENIX и других экспериментов вкупе с более отточенными теоретическими расчетами позволят разобраться с ними получше.