Эксперимент "Феникс" и "философский камень"

Американские физики, работающие на коллайдере RHIC, сообщили, что им удалось найти "философский камень". А если точнее — вплотную подобраться к возможной точке фазового перехода первородной кварк-глюонной плазмы в обычную материю. Именно в ней из "каши", состоящей из отдельных частиц 14 миллиардов лет тому назад началось формирование вещества.

Фото:

Напомним, что кварк-глюоная плазма — это такое состояние материи, когда в ней уже (или еще, если смотреть от Большого взрыва) нет отдельных протонов и нейтронов, а составляющие их частицы, кварки и глюоны, свободно гуляют по всему объему плазмы. В обычных условиях добиться этого невозможно, ибо для того, чтобы "разобрать" протон или нейтрон на кварки, нужно приложить большие усилия. При этом мерзкие кварки словно издеваются над экспериментаторами — чем сильнее те их "растаскивают", тем сильнее становиться взаимодействие между ними (переносчиком которого, как мы помним, являются те самые глюоны).

Однако, даже если этот эксперимент и удастся, то все равно в свободном состоянии кварки просуществуют недолго — настолько недолго, что экспериментатор толком и изучить их не успеет. Эти зловредные частицы обладают еще одной неудобной для физиков особенностью — оказавшись в одиночестве, кварк моментально порождает себе "напарника" (используя энергию, образовавшуюся при "растаскивании"), а также глюон — чтобы "коллега" не вздумал убегать. Словом, сколько кварки не растаскивай, все равно они опять слипнутся.

Тем не менее, на короткие моменты состояние вещества, близкое к настоящей кварк-глюоной плазме, получить все-таки можно. Для этого всего-то нужно нагреть атомное ядро до температуры, превышающей 2 триллиона градусов (175 МэВ в энергетических единицах). Кстати, в космосе подобное, видимо, случается — недаром астрофизики утверждают, что некоторые звезды на последних этапах своей эволюции представляют собой объекты, сплошь состоящие из этой плазмы. Однако в земных условиях, сами понимаете, добиться такой температуры (и не спалить при этом лабораторию, а также близлежащий наукоград) весьма и весьма непросто.

Поэтому ученые все-таки поступают по-другому — они исследуют кварк-глюоную плазму на релятивистских ускорителях тяжелых ионов. Например, на американском RHIC или на дубнинском нуклотроне. Эти коллайдеры, в отличие от БАК или "Тэватрона", не могут обеспечить больших энергий столкновения частиц, однако этого и не нужно — ведь при таких энергиях разогнанные частицы просто проходят друг сквозь друга. А при не особенно больших столкнувшиеся тяжелые ионы на какое-то время образуют ту самую желанную "кашу", состоящую из кварков, приправленных глюонами.

Я думаю, многих из вас уже мучает вопрос — а для чего этим неугомонным физикам вдруг понадобилась данная неуловимая плазма? Не проще ли плюнуть на нее и заняться исследованием чего-то более доступного и для хозяйства полезного? Дело в том, что, согласно теории Большого взрыва, еще 14 миллиардов лет тому назад вся Вселенная состояла не из обычного вещества, а из той самой плазмы. Однако потом (не совсем понятно, почему) кварки при помощи глюонов стали слипаться и в результате образовали барионы, среди которых наиболее устойчивыми оказались протоны и нейтроны.

И если удастся понять, почему и как это случилось, то человечество получит тот самый "философский камень", о котором так долго мечтали алхимики — люди смогут создать любое вещество из разных наборов частиц. Но перед тем, как разгадать секрет рождения современной материи, нужно сперва понять, где именно находиться та самая точка фазового перехода — совокупность условий, при которых кварки начали слипаться в барионы.

И вот недавно американские ученые, работающие на коллайдере релятивистских ионов RHIC, заявили, что им, похоже, удалось определить, где проходит эта граница. В ходе эксперимента PHENIX они обнаружили, что кварки, проходящие через вещество, при энергиях столкновения 39 ГэВ быстро теряют энергию, взаимодействуя с кварк-глюонной плазмой. Таким образом, стало ясно, что зона раздела фаз, разграничивающая кварк-глюонную плазму и обычную материю, проходит именно в данной области энергий. Это значение маркирует зону равновесия, аналогичную температуре при значении 0 градусов Цельсия, при которой одновременно могут сосуществовать и вода, и лед.

В то же время из-за громадной сложности вычислений в квантовой хромодинамике теоретики пока еще не пришли к согласию на предмет того, где находится сама граница между кварк-глюонной плазмой и обычной материей (ведь экспериментаторы пока что нашли только "приграничный район"). Некоторые скептики даже высказывают предположение, что четкой границы, в отличие от случая с водой и льдом, вообще не существует. Но экспериментаторы, работающие на RHIC, утверждают, что полученные данные говорят о возможном наличии такой границы в области энергий, равных где-то 20 ГэВ. Правда, они сразу же добавляют, что для уточнения этих значений потребуются дополнительные эксперименты.

Тем не менее, то, что физикам удалось найти хотя бы следы этой границы — уже весьма большое достижение, сравнимое с обнаружением на БАКе следов бозона Хиггса. Теперь, по крайней мере, область поиска весьма и весьма сузилась. Так что не исключено, что та самая таинственная фазовая точка будет определена уже в ближайшее время. После чего одной загадкой Вселенной станет меньше, а возможностей у человечества явно прибавится…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"