Модель глюонного супа

Кварки и удерживающие их глюоны (зигзагообразные линии) в протоне. Иллюстрация Physorg

Древнегреческие философы достигали в своих мысленных экспериментах предела дальнейшего дробления «рождающей» материи, обозначив его словом «атом». Но Резерфорд в опытах по рассеянию частиц в начале прошлого века установил, что атом имеет крепчайшую сердцевину, которую назвали ядром.

Понадобилось более трети века, чтобы ученые научились использовать субъядерные частицы для расщепления атомного ядра – сначала в военных целях, а затем научиться работать с ними в разного рода ускорителях. Вершиной достижений в столкновении частиц стал БАК, или Большой адронный коллайдер (в английской транскрипции – LHC). Поначалу в его вакуумной камере-бублике окружностью почти 30 км сталкивали лишь ядра водорода (протоны). Именно в ходе подобного рода экспериментов удалось найти давно искомый бозон Хиггса.

Одновременно с этим в том же БАКе стали «бомбардировать» протонами и ионы свинца, в результате чего получили существующий доли секунды некий горячий суп, или облако глюонной плазмы, ведущей себя подобно жидкости с ее гидродинамическими свойствами спокойного ламинарного и турбулентного движений. Сделали это открытие сотрудники Брукхейвенской лаборатории и Западного Мичиганского университета.

Глюоны – это некий «клей» (англ. – glue), который соединяет кварки, суб-субъядерные частицы, из которых состоят протоны и нейтроны. Последние могут распадаться с «переходом» в положительно заряженный протон и испусканием электрона. Но во Вселенной происходит и обратный процесс. Известно, что выгоревшая звезда при наличии достаточной массы и соответственно гравитации сжимается, и все частицы превращаются в нейтроны (то есть электроны «вдавливаются» в протоны). При соседстве двух близко расположенных нейтронных звезд они могут «сливаться», что ведет в возникновению черной дыры. Поскольку от черных дыр гравитационные волны с помощью лазерно-интерференционной обсерватории LIGO уже уловили, то теперь все ждут подобного от нейтронных звезд.

Кварки в протонах и нейтронах, как уже сказано, могут удерживаться глюонами, и это сильное взаимодействие не дает возможности выделить составляющие ядерных частиц в свободном состоянии. Но изменения плотности глюонов в протонах при их столкновениях с высокой энергией увидеть теперь можно (по крайней мере в ходе компьютерного моделирования). Существующие в горячем супе кварк-глюонной плазмы частицы представляют собой прекрасный пример виртуальных частиц, то есть постоянно образующихся и тут же исчезающих. Моделирование показало, что протон на самом деле отнюдь не что-то сверхтвердое и «незыблемое», а подвержен флюктуациям. Результаты этого модельного эксперимента опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Авторы работы полагают, что увиденные ими изменения глюонной плотности позволяют предположить наличие реальной, а не виртуальной кварк-глюонной плазмы в недрах нейтронных звезд. Обнаружить ее наличие можно будет по спектру гравитационных волн, порожденных столкновением двух нейтронных звезд. Так что астрономия после тысяч лет созерцания ночного неба становится полигоном проверки самых смелых физических теорий и предположений о строении Вселенной. Может быть, это поможет понять, почему Вселенная материальна (асимметрия в пользу материи, а не баланс с антиматерией) и можно ли будет все-таки найти в ней темные материи и энергии.