Энергетический коридор между двумя мирами

Коллайдер тяжелых релятивистских ионов, RHIC, позволит разобраться в механизме взаимодействия плазмы и обычной материи.
Фото с сайта www.bnl.gov

Легенда гласит, что выдающийся физик-теоретик Гелл-Манн то ли услышал в крике чаек не совсем понятное «кварк» – quark, – гуляя по берегу моря, то ли вспомнил известную фразу «Три кварка для мистера Марка» из романа «Улисс». Так или иначе, термин родился и через много лет обрел материальную сущность.

Сегодня чуть ли не в школе рассказывают, что протоны и нейтроны состоят из кварков «верхнего» и «нижнего» – up и down, – соединенных между собой склеивающими их глюонами (от англ. glue – клей). Но это сегодня привычная нам материя, вернее, составляющие ее атомы, устроены подобным образом. А до остывания материи после Большого взрыва оформленных нуклонов, – элементарных частиц, составляющих атомное ядро, – еще не было. На ранней стадии развития Вселенной материя была представлена плазмой, состоявшей из отдельных кварк-глюонных пар.

В ходе экспериментов, проводимых на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе (Женева), в «коллизиях» которого сталкиваются «твердые» протоны, были сделаны попытки определить параметры границы, разделяющей эти две фазы состояния материи. Вполне возможно, что ученые под Женевой что-то нащупали, но пока их головы были заняты поисками бозона Хиггса. Именно поэтому с таким интересом были встречены результаты, полученные в национальной Брукхейвенской лаборатории (США). В ней начал работу чуть менее мощный коллайдер, в котором с огромными энергиями сталкивают разогнанные до околосветовых скоростей – релятивистские – тяжелые ионы.

Новый аппарат получил название RHIC – Relativistic Heavy Ion Collider, – и он позволяет изучать состояние Вселенной, в котором она находилась 14 млрд. лет назад. Нынешнее понимание взаимодействий между плазмой и обычной материей базируется на теории квантовой хромодинамики. Переход от плазмы к атомам материи регулируется температурой и давлением или плотностью. Новый коллайдер специально был разработан для поиска пограничной линии фазового раздела.

Вместо протонов в нем используются ионы золота, верхний предел энергии столкновений которых достигает 200 гигаэлектрон-вольт (ГэВ). Ученые определили уже, что многие характеристики, или сигнатуры «жидких» кварк-глюонных пар, возникающих при 200 ГэВ, постепенно исчезают при понижении энергии «коллизий». Сейчас определен энергетический «коридор» перехода, границы которого характеризуются энергией 39 и 11,5 ГэВ. Ниже последней начинается взаимодействие связанных друг с другом кварков и глюонов. Именно эти связанные состояния называются также «адронами», к которым относятся протоны и нейтроны, из которых состоят ядра атомов привычной нам материи.

В другом эксперименте ученые сталкивали «лоб в лоб» пучки ионов меди. В ходе опыта ученые получили указанный выше переход при энергии всего 22 ГэВ. Подобные эксперименты помогают исследователям более точно определить границу между обычной ядерной материей и плазмой. Но они хотят уже большего, а именно – найти такую точку, в которой одновременно присутствуют, сосуществуют, и плазма, и материя.

К сожалению, современные компьютеры работают недостаточно быстро, чтобы рассчитать критическую точку плазмы. Данные, полученные на RHIC, позволяют говорить о том, что она находится где-то в пределах 20 ГэВ. По крайней мере один из важнейших ее сигналов исчезает после снижения энергии до 11,5 ГэВ.

Ученые знают, что разделение отрицательного и положительного зарядов запрещено так называемой «зеркальной симметрией», составляющей один из фундаментальных признаков кварк-глюонных пар. Однако при сверхвысоких температурах теория разрешает нарушение симметрии в локальных пузырях. Этим пузырям отводится решающая роль в истории исходной – примордиальной – Вселенной, в которой устанавливалось доминирование материи над антиматерией. Благодаря преобладанию первой существуем и мы, говорят ученые.

Многое для них прояснится при столкновении еще более тяжелых ионов урана, поскольку при столкновении ионов золота возникают мешающие и искажающие картину сильные магнитные поля. Новые результаты уже доложены на конференции с характерным названием – Quark Matter 2012. Сейчас теоретики определяют условия столкновений ионов «лоб в лоб» и с некоторым отклонением от центра ионов. Экспериментаторам интересно, что будет происходить в этих двух режимах коллизий и действительно ли в таких мощных «смэшах» происходит нарушение упомянутой выше симметрии.

Важно также определить, как взаимное расположение кварков и глюонов по отношению друг к другу воздействует на формирование плазмы и ее свойства. С этой целью ионы золота «бомбардируются» дейтеронами, или ядрами тяжелого водорода дейтерия. Выяснилось, что при таких столкновениях рождается очень мало адронов или их струй (джетов), что несколько озадачило исследователей. Похоже, что сама плазма подавляет их образование, поскольку джеты активно теряют свою энергию, застревая в плотной кварк-глюонной среде. Некоторые теоретики предсказывают, что в глубине золотых ядер глюоны могут обретать весьма конденсированное, плотное, состояние, которое они называют «витражным» конденсатом (color-glass condensatе).

Другие физики предсказывают появление среди продуктов столкновений пар материи и антиматерии в виде quarkonia. Но это возможно в «холодных» условиях, в которых только и может существовать обычная материя. Новые результаты, полученные вблизи фазовой границы, предполагают и определенную вероятность образования кварк-антикварковых «сцепленных» состояний, что лишний раз доказывает уникальные возможности нового коллайдера.

Некогда Гелл-Манн постулировал существование кварков, чтобы избавить физиков от головной боли, вызывавшейся «зоопарком» элементарных частиц, которых к тому времени было открыто чуть ли не полсотни. Сегодня же ученые – только за расширение возможного разнообразия всех самых невероятных сочетаний, возникающих при столкновениях как высоких, так и низких энергий. Все эти новые результаты и комбинации позволят в грядущем десятилетии решить вопросы, которые пока при использовании RHIC только множатся.

Энтузиазм ученых можно понять, поскольку вот уже более полувека физики мечтают овладеть термоядерным синтезом, что невозможно без понимания природы плазмы и ее характеристик.