Жарче Солнца Физики попали в Книгу рекордов Гиннесса с температурным рекордом

Физики, работающие с ускорителем RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории, попали в Книгу рекордов Гиннесса с формулировкой "за самую высокую температуру, полученную в лабораторных условиях". Сталкивая ионы золота на ускорителе, ученые смогли добиться возникновения кварк-глюонной плазмы, температура которой составила 4 триллиона (4x10¹²) градусов Цельсия. Сделано это было вовсе не для развлечения - эксперименты с такой плазмой помогут ответить на многие вопросы, касающиеся, например, истории возникновения Вселенной.

Конфайнмент и реальность кварков

В 1964 году Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг ввели понятие кварков. На тот момент накопилось большое количество экспериментального материала по элементарным частицам, и в этот материал просто необходимо было внести хоть какой-то порядок. Согласно популярной легенде, название нового класса частиц Гелл-Манн позаимствовал из "Поминок по Финнегану" Джеймса Джойса, где встречается фраза "Три кварка для Мюстера Марка!" (Three quarks for Muster Mark!). Цвейг продвигал карточную терминологию, называя частицы тузами, но это название не прижилось.

Первоначальная модель Гелл-Манна и Цвейга включала всего три аромата кварков - нижний (d), верхний (u) и странный (s). При помощи кварков физикам удалось объяснить многие свойства частиц, а также предсказать ряд экспериментальных результатов. С самого начала, однако, ученые восприняли новые частицы как математическую абстракцию.

Надо сказать, что подобные абстракции в физике на тот момент уже имелись - например, это так называемые квазичастицы. Вообще, в квантовой механике принято, чтобы взаимодействие осуществлялось порционно, при помощи каких-то частиц-переносчиков. Квазичастицы стали результатом такого насильственного порционного разбиения процессов - квантования. Например, колебания электронного газа в металле после квантования превратились в плазмоны, колебания атомов кристалла - в фононы и так далее. Все это при решении многих задач очень облегчает ученым жизнь, хотя в действительности никаких фононов и плазмонов, вообще говоря, нет.

На то, чтобы убедиться в реальности существования кварков, у физиков ушли годы и сотни научных работ. Вот краткая хронология этого процесса.

1. В 1968 году эксперименты по неупругому рассеиванию протонов показали, что у протона есть нетривиальная внутренняя структура (то есть он не является элементарным кирпичиком материи), в частности, он состоит, предположительно, из трех точечных объектов.
2. В этом же году эксперименты на Стэнфордском линейном ускорителе подтвердили реальность u-, d- и s-кварков.
3. В 1970 году был предложен еще один кварк - зачарованный (c)
4. В 1973 году Макото Кобаяси и Тосихидэ Масакава, объясняя нарушение CP-симметрии, ввели еще два кварка, позже названные истинный (t) и прелестный (b), доведя общее количество кирпичиков до шести (или двенадцати, если учитывать, что у каждого кварка есть собственный антикварк).
5. В 1974 году на ускорителе SLAC в Брукхейвенской национальной лаборатории было доказано существование c-кварка
6. В 1977 году в Фермилаб была подтверждена реальность b-кварка
7. В 1995 году на ускорителе Тэватрон в Фермилаб удалось обнаружить истинный кварк.

Для ныне закрытого Тэватрона открытие истинного кварка было звездным часом. Полученная частица оказалась ужасно массивной - она в 100 тысяч раз тяжелее своего самого легкого родственника - u-кварка, и по массе вполне может сравниться с атомом вольфрама. Этот эксперимент по сути закрыл вопрос о существовании кварков, подтвердив их реальность.

В окончательной версии оказалось, что существуют три поколения кварков, по две штуки в каждом - то есть, всего шесть (или двенадцать, если учитывать, что у каждого кварка есть его антидвойник). Все, что можно получить из этого набора, назвали адронами. Пока известны два класса адронов - барионы (три кварка) и мезоны (два кварка). При этом теория, вообще говоря, не запрещает существование частиц с большим числом кварков, однако достоверно их обнаружить пока не удавалось (хотя намеки на них в некоторых экспериментах и возникали).

Надо сказать, что, среди прочего, в реальность кварков мешает поверить их замечательное свойство - конфайнмент, которое также затрудняет пояснение этого вопроса людям, плохо представляющим себе устройство мира элементарных частиц. Если говорить простыми словами, то у каждого кварка и антикварка есть некая характеристика, называемая цветным зарядом, а в природе должны существовать только частицы с нулевым цветным зарядом (их еще называют бесцветными). Из этого принципа вытекает, что отдельно кварки не встречаются - ведь у них у всех не нулевой цветной заряд.

В общих чертах объяснить причины конфайнмента можно следующим образом. Цветное взаимодействие с ростом расстояния не ослабевает, а усиливается. Пару кварков в составе типичного мезона удобно представлять точками, связанными двумя эластичными лентами. Если тянуть за кварки очень сильно (то есть сообщать такой частице большую энергию), то ленты лопнут, но сделают это одновременно. При этом энергия, накопленная в лентах, никуда не денется, а приведет, по знаменитой формуле E=mc², к образованию пары кварк-антикварк. В результате вместо одного мезона у нас окажется два.

Такой процесс превращения составляющих элементарную частицу кварков и глюонов (вместе этот класс получил название партонов) в адроны называется адронизацией.

Все о плазме

Оказывается, при высоких температурах (или высокой плотности энергии) кварки и глюоны могут покидать частицы, образуя своего рода "суп". Так как этот "суп" в сумме не имеет цветного заряда, это не противоречит принципу конфайнмента. По аналогии с квазинейтральной плазмой (то есть таким состоянием вещества, при котором оно состоит из частиц с ненулевым электрическим зарядом, оставаясь в целом электрически нейтральным), новое состояние вещества получило название кварк-глюонной плазмы (КГП).

Это понятие оказалось очень полезным для физики. Например, спустя примерно микросекунду после Большого Взрыва вся Вселенная была наполнена такой плазмой. Именно процессы в этой плазме привели к тому, что обычное вещество возобладало над антивеществом - будь все симметрично, атомы спокойно бы аннигилировались и получилась бы почти пустая, наполненная преимущественно излучением Вселенная. Этого, однако, не произошло, и причины этого события кроются в поведении плазмы.

Впервые получить плазму удалось только в 2000-х годах - оно и понятно, речь идет об огромных энергиях, соответствующих температуре вещества порядка триллиона (10¹²) градусов Цельсия. Пока Большой адронный коллайдер в CERN набирает обороты и ищет бозон Хиггса, лидером по изучению кварк-глюонной плазмы является Брукхейвенская национальная лаборатория.

На установленном в этой лаборатории ускорителе RHIC сталкиваются ионы золота. Скорости пучков при этом составляют 99,995 процента от скорости света (при такой скорости из-за релятивистских эффектов ионы выглядят как плоские блины). При таком столкновении цветные ленточки между кварками рвутся (обычно в нескольких местах сразу), и стартует процесс адронизации. При этом образуются целые пучки - джеты - элементарных частиц. Их и регистрируют детекторы ускорителя.

Надо сказать, что физикам, работающим с RHIC, уже удалось получить множество уникальных данных. Например, в 2005 году исследователи установили, что кварк-глюонная плазма - наиболее близкая к идеальной жидкость в природе. Важным параметром жидкости является вязкость, определяющая внутреннее трение. Типичный пример вязкой жидкости - мед, а невязкой - вода. Используя методы теории струн, теоретики рассчитали по сути минимальную возможную вязкость для реального физического объекта (некоторое время назад, однако, этот вывод был оспорен). Получилась очень маленькая величина (много меньше вязкости, например, жидкого гелия).

Так вот, в 2008 году в Nuclear Physics A вышла работа, в которой физики, используя экспериментальные данные RHIC, установили, что на энергиях порядка 170 мегаэлектронвольт кварк-глюонная плазма обладает вязкостью, близкой к теоретическому пределу (на самом деле в работе и в теории рассматривается отношение вязкости и так называемой плотности энтропии, однако, в данном случае это не так важно).

Из этого, по словам ученых, можно вывести много интересного - например, в прежних расчетах кварк-глюонную плазму рассматривали как газ. Другое интересное следствие (впрочем, не столь важное для науки) - неожиданное сходство динамики поведения у веществ при температурах, близких к абсолютному нулю (например, жидкого гелия) и при крайне высоких температурах. Просто удивительная симметрия!

Температурный рекорд

В 2010 году появилась информация, что физикам из Брукхейвенской лаборатории удалось измерить температуру получаемой ими плазмы. Сделано это было при помощи анализа энергии фотонов, испускаемых при столкновении пучков - грубо говоря, ученые смотрели как ярко светится получившаяся плазма. Трудность при таком подходе заключается в том, что часть фотонов, регистрируемых детекторами, образуется не при столкновении ионов золота, а при вторичных столкновениях. Эти "вторичные" фотоны мешают анализу. После теоретического анализа исследователям удалось установить, что большая часть лишних частиц создается при столкновении протонов.

Поэтому физики действовали по следующему алгоритму: сначала на ускорителе сталкивались протоны. Их излучение регистрировалось, отмечались его особенности. Затем сталкивались ионы золота и регистрировалось их излучение. После этого при помощи специальных алгоритмов из данных об ионах убирался фоновый шум, создаваемый столкновениями протонов. В результате физики получали информацию непосредственно о фотонах, возникших во время столкновения.

Получив эти данные, исследователи определили температуру плазмы - она оказалась равной 4 триллионам градусов Цельсия (в 250 тысяч раз горячее, чем в центре Солнца)! Надо сказать, что в Большом адронном коллайдере при столкновении ионов из-за большей плотности энергии должна возникать температура около 10 триллионов градусов, но это значение - результат расчетов, математических прикидок, так и не проверенных на практике (например, аналогичным брукхейвенскому методом "ловли" фотонов от первоначального столкновения).

Среди прочего, столь высокая температура означает, что ученые действительно имеют дело с КГП - согласно теоретическим выкладкам, вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы при гораздо меньших температурах.

Теперь эти данные были официально признаны Книгой рекордов Гиннесса. С научной точки зрения, это признание ничего не стоит - книгу выпускает коммерческая организация, не имеющая никакого отношения к науке. Более того, до сих пор измерения не были проверены в независимых экспериментах, поэтому научное сообщество официально результаты RHIC на вооружение пока не взяло. Вместе с тем, быть может, такое, пусть и дешевое, внимание пойдет экспериментам на пользу - ускоритель Брукхейвенской национальной лаборатории как раз проходит модернизацию. А теоретикам очень нужны результаты RHIC, ведь в КГП кроется еще столько всего неизвестного.