Андрей Ваганов
Условия перехода вещества в состояние кварк-глюонной плазмы (КГП): диаграмма состояния сильно взаимодействующего вещества в координатах 'ядерная плотность – температура'.
Благодаря героическим усилиям физиков по внедрению в народные массы своих замечательных космологических теорий, мы, кажется, уже усвоили, что примерно 18 млрд. лет назад (плюс-минус 2 млрд.), то есть в первый момент после Большого Взрыва, Вселенная наша представляла собой этакий «бульон»: вещества в привычном нам сегодня смысле еще не было, но были все необходимые исходные компоненты для его «изготовления» – кварки и глюоны. Времена были горячие и бурные. Температура того сгустка, который очень скоро должен был стать Вселенной, была 1017 градусов (для сравнения: температура поверхности Солнца 5807 К); каждые 10-34 секунды Вселенная удваивалась в размере. Кварки еще не успели с помощью глюонов склеиться в протоны, нейтроны и другие элементарные частицы┘
Как всегда, теоретики нашли красивое название всему этому великолепию – кварк-глюонная плазма (КГП). «Это то самое состояние, в котором была вся масса нашей Вселенной сразу после Большого Взрыва, – поясняет доктор физико-математических наук, профессор, начальник лаборатории РНЦ «Курчатовский институт» Владислав Манько. – Первые 10-5 секунд Вселенная находилась в состоянии кварк-глюонной плазмы».
«Кварк-глюонная плазма – это вполне конкретная вещь, – подчеркивает известный российский физик-теоретик, академик Анатолий Рубаков. – Одно из четырех фундаментальных взаимодействий, существующих в природе, – сильное взаимодействие. И в этих сильных взаимодействиях участвуют элементарные частицы, которые получили название кварков и глюонов. При очень высоких температурах, в первые мгновения рождения Вселенной, это все размешивалось. В результате вместо протонов, нейтронов существовала как раз эта самая кварк-глюонная плазма».
(Заметим, кстати, что теоретический предел, до которого работают современные космологические представления, – 10-43 секунды после Большого Взрыва; что было еще раньше – буквально тайна, покрытая мраком. Тот же академик Рубаков замечает: «Когда вы входите в область меньше 10-43 секунды после Большого Взрыва, то в это время многие вещи, многие представления перестают работать. Объяснить, как это происходило, можно, но это объяснение в обычных терминах описать, по-видимому, будет невозможно. К сожалению┘ Адекватного теоретического аппарата для описания процессов в момент времени меньше 10-43 секунды пока не существует. Он только-только появляется».)
Но самое поразительное, на мой взгляд, то, что физики вполне серьезно и дружно в последние годы заговорили о лабораторном моделировании условий, которые существовали в ранней Вселенной.
Так, еще в 90-е годы прошлого века на ускорителе SPS (суперпротоннный синхротрон) в Европейском центре ядерных исследований в Женеве (ЦЕРН), в земных условиях было достигнуто состояние вещества, которое, по-видимому, можно было идентифицировать с кварк-глюонной плазмой! Результат сам по себе уникальный. Но вдвойне приятно, что схему проведения эксперимента, самую важную часть экспериментального оборудования и методику обсчета полученных данных предложили, изготовили и реализовали российские ученые и инженеры.
И вот – новое сообщение с кварк-глюонных полей. На этот раз из-за океана.
На ускорителе «Релятивистский коллайдер тяжелых ионов» (RHIC, Брукхейвенская национальная лаборатория, США) экспериментаторы сталкивали ядра золота, предварительно разогнав их до скоростей, близких к скорости света. Легко представить себе, что температура в зоне такого экстремального контакта была в 150 тыс. раз выше, чем в центре Солнца. Этакий маленький Большой Взрыв внутри ускорителя. А в результате рождался целый каскад новых частиц и специальный детектор улавливал их следы. Проанализировав тип и количество порожденных частиц и направление их движения, физики обнаружили, что ими был создан... новый тип вещества.
Теоретики, судя по всему, сами обалдели от полученных результатов. Дело в том, что они предсказывали и ожидали появление некоей «струи пара», состоящей из свободных кварков и глюонов. Но порожденное вещество – это не газ. Скорее жидкость. Но и жидкость не обычная, а сверхтекучая. Вязкость ее настолько мала, что своей манерой движения она напоминает стайку рыб, движущуюся, как единый организм. Предварительные расчеты показывают, что эта жидкость – самая «идеальная» из всех жидкостей, которые доводилось наблюдать ученым. Короче, хоть сейчас – в книгу рекордов Гиннесса.
По словам профессора Бирмингемского университета Джона Нельсона, одного из руководителей эксперимента в Брукхейвене, появление идеальной жидкости стало полной неожиданностью, так что теперь исследователям придется приступить к разработке новых гипотез, касающихся свойств вещества при экстремальных температурах и давлениях, прежде недоступных в лабораторных условиях. Вот и в пресс-релизе Исследовательского совета по инженерному делу и физическим наукам отмечается, что ученые были удивлены тем, что вместо хаотичного потока кварк-глюонного газа ими было зафиксировано «коллективное движение» кварк-глюонной жидкости, что свидетельствует о более высоком, чем предполагалось, уровне взаимодействия между рождающимися частицами.
Этот экспериментальный факт, если он будет подтвержден, может поколебать многие сегодняшние фундаментальные представления о происхождении нашей Вселенной. До сих пор, например, аксиомой космологии было положение о том, что кварк-глюонная плазма – система очень неустойчивая. Одиночный кварк, появившийся в результате каких-то очень жестких процессов, мгновенно сам себя «достраивает» до адрона (общее название для протонов, нейтронов, более тяжелых барионов, а также для мезонов). И этот процесс происходит за немыслимо короткие времена – 10-21 секунды!
Возможно, следующий ход в этой кварк-глюонной лихорадке опять перейдет к европейцам. Планируемый на 2007-й год запуск в ЦЕРНе Большого адронного коллайдера (LHC) – самого большого на сегодняшний день ускорителя частиц – позволит на несколько порядков повысить удельные энергии, получаемые в эксперименте, то есть искусственно создать и исследовать в лабораторных условиях то состояние материи, в котором находилась Вселенная в самые первые мгновения после своего рождения.
