Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

КВАРК-ГЛЮОННАЯ ПЛАЗМА

Доктор физико-математических наук И. РОЙЗЕН.

Весной прошлого года в Центре европейских ядерных исследований (ЦЕРН) была получена кварк-глюонная плазма (см. "Наука и жизнь" № 3, 2000 г.). Это безусловно выдающееся достижение экспериментальной физики омрачено одним обстоятельством. Плазма, возникшая на миллиардные доли секунды, исчезает, порождая ливни вторичных частиц. А те, в свою очередь, реагируют между собой и распадаются на множество осколков последующих поколений. В результате до исследователей доходило только отдаленное эхо произошедшего события. О положительных результатах эксперимента приходилось судить лишь по совокупности косвенных данных. И только новые эксперименты на мощнейшем ускорителе тяжелых ионов на встречных пучках (коллайдере) RHIC, построенном недавно в США, позволят провести прямые наблюдения за материей в том состоянии, в котором она была в первые мгновения после рождения Вселенной.

Если рассматривать гроздь винограда издали, то она покажется единым целым. Подойдя ближе, мы увидим отдельные ягоды, которые "упакованы" вместе посредством некоего связующего каркаса. Предположим, что нам повезло и гроздь оказалась спелой. Тогда легким встряхиванием или пощелкиванием ягоды можно обсыпать, то есть сделать их "свободными", не связанными одна с другой. Размяв ягоды (как это делают при производстве вина) или разрушив их оболочки посредством достаточно энергичного соударения (например, пересыпая без должной осторожности из одного ящика в другой), мы убеждаемся, что внутри их имеются косточки, которые плавают в некоей желеобразной среде. Приложив еще большее разрушающее воздействие и воспользовавшись простеньким микроскопом, можно убедиться, что и косточки тоже не представляют собой сплошной и совершенно однородный монолит.

Прошу прощения у читателя за такое легкомысленное вступление к вполне серьезному разговору и хотел бы в этой связи процитировать рано ушедшего из жизни прекрасного поэта и физика Г. И. Копылова:

"Умей вопросы лишь поставить!
Вселенная - она проста ведь!
Порядок строг у ней на дне...
А что сумбур - так он извне..."

Слово "извне" тут, вероятнее всего, подразумевает - в наших головах. При всей своей наивности описанный выше пример уже содержит в себе указание, которое является стержневым для всего, о чем пойдет речь дальше: у нас есть два средства для проникновения в недра вещества - это давление и температура (последняя выступает в нашем примере неявно как энергия соударения частиц-виноградин). Иными словами, чтобы проникнуть в суть вещей, необходимо эти вещи так или иначе разрушить. Вряд ли стоит еще раз подробно рассказывать о том, что при нагревании твердые тела сначала плавятся (при этом атомы "вырываются" из узлов кристаллической решетки), а затем превращаются в газ, в результате чего атомы становятся почти свободными и, стало быть, в принципе, открывается возможность изучать каждый из них по отдельности. При дальнейшем повышении температуры их скорости возрастают, и из-за сильных разрушительных столкновений с них постепенно облетают все электроны и получается так называемая плазма (вот уже и появилось одно нужное нам слово, хотя еще совсем не та плазма, которая нас сейчас интересует). Это происходит при температурах в несколько тысяч градусов. Когда же становится совсем горячо (миллионы градусов, как в недрах Солнца), рассыпаются и сами атомные ядра - остаются лишь протоны, нейтроны и другие "элементарные" частицы; возникает адронная плазма. Но и такая температура - еще "собачий холод" по сравнению с той жарой, в которую нам вскоре предстоит мысленно погрузиться.

Менее очевидно, но тоже верно и то, что все перечисленные выше метаморфозы материи могут быть достигнуты и без повышения ее температуры, а посредством сжатия. Дело в том, что расхожие и общепринятые положения о несжимаемости кристаллов и жидкостей применимы только к весьма ограниченной области давлений, с которыми мы обычно имеем дело. По существу, всегда подразумевается: "несжимаемы по сравнению с легко сжимаемыми газами", что уже совсем верно. В действительности они еще как сжимаемы, но только не обычными прессами - необходимо значительно большая сила сжатия. Такая компрессия может быть достигнута в ударном (кратковремен ном) режиме - примером тому служит водородная бомба: в результате взрыва оболочки (атомной бомбы) происходит такое сжатие ее дейтериево-тритиевой "начинки", что запускается термоядерная реакция. Но наиболее надежное средство для достижения этой цели - могучие силы гравитационного притяжения, которые реализуются в таких плотных космических объектах, как, скажем, белые и черные карлики или нейтронные звезды. Ну и, конечно же, всего этого можно добиться совокупным воздействием давления и температуры - так чаще всего и бывает.

Все сказанное относится и к тому очень специфическому состоянию вещества, которое, по всей вероятности, возникает при еще более высоких температурах и давлениях (речь о нем пойдет ниже). Но прежде чем перейти непосредственно к этой теме, мы хотели бы обсудить более общий вопрос, обязательно возникающий у прагматически настроенного читателя, да и не только у него: кому и зачем все это нужно? Такой вопрос уже много раз адресовался исследователям в области фундаментальной науки - от "чистой" математики до теории электричества и ядерной физики, - и каждый раз ответ был один и тот же: сейчас не знаем, но уверены, что эти исследования найдут широкое практическое применение. Так всегда и получалось. Справедливости ради стоит отметить, что в истории с ядерной физикой даже многие выдающиеся ученые поначалу были уверены в обратном. Что из этого получилось, мы теперь знаем. Но у проблемы есть и другой аспект. Вряд ли кто-нибудь рискнет сейчас настаивать на том, что астрофизика (наука о строении и свойствах звезд и далекого космоса) и тесно связанная с ней космология (наука о возникновении и эволюции Вселенной) станут использоваться столь же явно в обозримом будущем (другое дело, геометрическая астрономия - та хотя бы нужна для навигации). А коли так, то "нам ли, брошенным в пространстве, обреченным умереть" тратить впустую свою драгоценную и невосполнимую жизнь на всю эту заумь? И тем не менее неослабевающий интерес, проявляемый к подобному кругу вопросов со стороны не только ученых, но и огромного числа просто любознательных людей, ощущающих себя каким-то образом причастными ко всем этим "фантасмогориям", несомненно показывает, что не хлебом единым жив человек и что на то он и homo sapience, чтобы время от времени смотреть на звезды и думать о них (правда, длительное созерцание этих загадочных и манящих точек приводит подчас и к таким непостижимым извращениям, как астрология, - см. "Наука и жизнь" №№ 11, 12, 2000 г.). Кварк-глюонная плазма, к рассказу о которой мы сейчас приступаем, принадлежит, думается, к тому же кругу явлений природы.

Сейчас уже все знают (всего лишь тридцать лет назад об этом догадывались только отдельные ученые!), что многие элементарные частицы - так называемые адроны - вовсе не элементарны, а "состоят" из кварков и "склеивающих" их глюонов (чем не виноградины! - но есть и очень существенное отличие). Слово "состоят" взято нами в кавычки, потому что кварки и глюоны - это частицы, которых в обычных условиях нет: они всегда связаны в адронах и никогда не бывают свободными! (См. "Наука и жизнь" № 8, 1994 г.) Любая попытка "растащить" их на расстояние, намного превышающее 10-13 см - типичный размер адрона, - неизбежно приводит к неограниченному возрастанию их энергии, что и означает полную бесперспективность такого занятия. Это их свойство принято называть конфайнментом (в переводе с английского - тюремное заключение). Оно описывается посредством придания им некоего специфического квантового числа, именуемого цветом, который, конечно же, не имеет ничего общего с созвучным ему зрительным образом (см. "Наука и жизнь" №№ 2, 3, 2000 г.). В рамках этой терминологии конфайнмент означает невылетание (удержание) цвета: в свободном состоянии могут существовать только "белые" объекты - иначе говоря, определенные сочетания цветов, скажем красный + синий + зеленый или красный + антикрасный (в отличие от оптики такой здесь тоже возможен - он присущ определенному типу антикварков). Первый вариант отвечает протонам, нейтронам и вообще барионам (запомним это слово) - каждому кварку приписывается так называемый барионный заряд +1/3, а значит, каждому бариону - барионный заряд +1. Второй вариант - это мезоны, у них барионного заряда нет (так как барионный заряд антикварков равен -1/3). Полный барионный заряд изолированной системы частиц равен, очевидно, разности между числом барионов и антибарионов в ней. Подобно электрическому заряду, он сохраняется, и барионы хотя бы одного типа должны быть стабильны. Это протоны. По той же причине среди мезонов может и не быть стабильных - и таковых действительно нет (правда, часто так называют живущие очень долго - больше 10-17 секунды!). Ведь ничто не мешает кварку и антикварку, составляющим мезон, в конце концов проаннигилировать, взаимно уничтожив свои барионные заряды. Здесь мы ставим точку в изложении хорошо известных положений, которое было необходимо, чтобы в дальнейшем избежать постоянных экивоков на множество других статей по этому поводу.

Теперь уже все готово для формулировки утверждения, которое представляет собой цель и смысл всего нашего повествования: конфайнмент присущ кваркам и глюонам только в "обычных" условиях (вспомним о "несжимаемости" кристаллов и жидкостей!), а в некоторых особых условиях его может и не быть. Физический смысл этих "особых условий" все тот же - при низких температурах (формально при Т = 0К) по мере сжатия тяжелого ядра отдельные его нуклоны начинают "налезать" друг на друга (на языке квантовой механики - перекрываются их волновые функции). В результате кварки и глюоны, принадлежащие при обычных внутриядерных условиях отдельным нуклонам, утрачивают своих "хозяев", раскрепощаются - "свой" и соседний нуклоны становятся для них неразличимыми - и начинают свободно перемещаться внутри всего объема сжатого ядра. Конечно, они по-прежнему подвержены конфайнменту, но размер "тюремной клетки" становится намного больше. А если таким же образом сжимаются N ядер, объем возрастает еще в N раз. При достаточно большом числе ядер он может стать вполне макроскопическим и даже огромным. И внутри всего этого объема кварки и глюоны будут перемещаться как обычные свободные частицы (подобно молекулам газа внутри занимаемого им объема). Свойство конфайнмента не то чтобы утрачивается - оно просто становится бессодержательным, что особенно очевидно, если N : происходит деконфайнмент кварков и глюнов. Такое состояние вещества называют кварк-глюонной плазмой. Оно, весьма вероятно, реализуется в недрах нейтронных звезд.

Не представляет труда оценить степень сжатия, при которой обычная ядерная материя должна превратиться в кварк-глюонную плазму. Хорошо известно, что объем ядра (из числа не самых легких) приблизительно в два-три раза больше суммарного объема всех образующих его нуклонов. Поэтому для того, чтобы прижать нуклоны друг к другу, достаточно уменьшить объем ядра всего лишь вдв ое-втрое. А если уменьшить его, скажем, в четыре раза, то волновые функции нуклонов перекроются настолько, что границы между отдельными нуклонами будут практически полностью разрушены. Может показаться - как просто! но попробуйте-ка сжать в два раза даже обыкновенную жидкость!

Описанный пример иллюстрирует переход к кварк-глюонной плазме посредством одного лишь сжатия, без повышения температуры. Другими словами - посредством увеличения плотности барионного заряда. С ростом температуры того же эффекта можно добиться и при меньшей его плотности за счет теплового рождения частиц (конечно, в подавляющем числе - пионов) при столкновениях. Эти частицы могут заполнить "пустоты" между барионами настолько, что волновые функции всех частиц - теперь уже барионов и мезонов - опять-таки перекроются и цвет (так часто говорят для краткости, когда имеют в виду кварки и глюоны в совокупности) снова сможет беспрепятственно распространяться по всему объему. Таким образом, кварк-глюонная плазма может также существовать и при малой, даже нулевой, плотности барионного заряда, но для этого необходима изрядная жара, примерно 1012 К, по сравнению с которой температура в недрах Солнца (107 К) - невообразимый холод. Согласно современным космологическим представлениям, примерно такой была Вселенная через 10-30 микросекунд после рождения (Большого взрыва).

Здесь необходимо упомянуть еще об одном обстоятельстве. Теория предсказывает, что при подобных же "издевательствах" над материей (сжатии и/или нагреве) должен произойти еще один фазовый переход - восстановление так называемой киральной симметрии, обусловленное тем, что легкие кварки (u и d), те самые "кирпичики", из которых составлено практически все вещество, становятся вообще безмассовыми. Сейчас существуют разные точки зрения на то, совпадают ли всегда либо только при определенных условиях или же никогда не совпадают эти два фазовых перехода. Если не совпадают, то несомненно, что восстановление киральной симметрии требует больших усилий, чем разрушение конфайнмента кварков и глюонов. Эта отдельная и очень интересная тема далеко выходит за рамки нашего разговора, и мы коснулись ее только для того, чтобы подчеркнуть, что кварк-глюонной плазмой принято называть именно кирально симметричную фазу. В свете сказанного приведенные выше оценки температуры и/или сжатия, необходимых для образования кварк-глюонной плазмы, могут оказаться несколько заниженными.

Теперь мы вплотную подошли к вопросу о том, останется ли навсегда кварк-глюонная плазма только игрой ума - так сказать, недоступной "вещью в себе", безвозвратно утраченной вместе с юностью Вселенной и навсегда похороненной в недрах бесконечно далеких нейтронных звезд, или же все-таки есть надежда "пощупать ее руками" прямо здесь, на Земле. Разумеется, нечего и говорить о том, чтобы воссоздать ее в каком-то перманентном режиме, сделать "вещью для нас", - мы знаем, насколько трудным оказалось совладать с "обычной" термоядерной плазмой. А вот не удастся ли получить ее хотя бы на краткий миг? Похоже, что такое возможно, хотя препятствий и проблем на этом пути великое множество. Правда, некоторые из них уже удалось преодолеть и решить.

Разумеется, единственное, что может сулить успех, это столкновения тяжелых ядер - лучше всего ядер атомов свинца, - разогнанных до очень высоких энергий в гигантских ускорителях. Последний из действующих - RHIC, релятивистский коллайдер ("столкновитель") тяжелых ионов - был введен в эксплуатацию совсем недавно в США. Он обеспечивает двадцатикратное повышение энергии столкновения ядер по сравнению с ускорителем, давно уже действующим в Европе (ЦЕРН, Швейцария), но в пятнадцать раз уступает по энергии строящемуся там же новому ускорителю, который должен вступить в строй через четыре-пять лет. Действительно, в столкновениях таких ядер участвует порядка 500 нуклонов, и вследствие сильного релятивистского сжатия вдоль направления движения плотность энергии в них очень высока. Это значит, что в результате их столкновения и остановки должна возникнуть ядерная материя с огромной плотностью энергии, которая пойдет, с одной стороны, на рождение большого числа новых (вторичных) частиц, а с другой - на очень сильный разогрев всей этой системы. Казалось бы, что еще нужно - воссоздаются те самые условия, которые имели место в очень юной Вселенной, когда ее возраст был всего несколько десятков микросекунд. Кстати, из-за этой аналогии описываемый сейчас процесс называют Малым взрывом (Little Bang). Однако далеко не все так просто. И главная трудность в том, что в нашем распоряжении нет и не может быть прибора, который явно и непосредственно зафиксировал бы возникновение кварк-глюонной плазмы и ее существование в течение нескольких мгновений (порядка 10-23 секунды), после чего она, как говорят, адронизуется, то есть стремительно расширяется и остывает, а блуждавшие в ней свободно кварки и антикварки коагулируются в группки по две (кварк и антикварк) и три (три кварка) штуки и намертво запираются в хорошо известных нам адронах, каковыми являются мезоны (в основном пионы) и нуклоны (протоны и нейтроны). Первые достаточно быстро распадаются, образуя так называемые лептоны (m± мезоны, электроны и позитроны) и фотоны, которые мы уже умеем так или иначе регистрировать. Если бы действительно оставались от минувшего ядерного катаклизма только они, то не имелось бы почти никаких шансов воссоздать весь ход процесса и сделать заключение, был ли в самом его начале тот самый краткий миг существования кварк-глюонной плазмы или нет.

Подобные намерения можно сравнить разве что с затеей художника нарисовать правдоподобный портрет Чеширского кота по одной только оставленной им загадочной улыбке или реставратора - воссоздать растаявшую снежную бабу по оставшейся от нее луже воды. Дело в том, что за несколько последующих мгновений ядерная материя успевает пройти очень долгий (в соответствующей происходящим в ней процессам временной шкале) путь эволюции, на каждом этапе которого из ее "памяти" энергично стиралась информация о его начале. К счастью, есть надежда, что она стерлась не полностью и некоторые следы "преступления" все-таки остались.

Кроме тех фотонов и лептонов, которые возникли описанным выше образом уже после того, как ядерная буря давным-давно закончилась, имеются еще и те, которые образовались значительно раньше в результате электромагнитных взаимодействий электрически заряженных частиц (кварков, мезонов, протонов), происходивших в ходе расширения ядерной материи, еще до окончатель ного ее разлета. И главная надежда тут на фотоны - их принято называть прямыми фотонами (в отличие от всех других - вторичных или распадных). Взаимодействуя с окружающей материей сравнительно слабо, они, однажды возникнув, выходят из адского ядерного пламени, как правило, "нетронутыми", так сказать, без "пересадок" - прямо с места события (потому и названы прямыми) - и, значит, могут "сообщить" кое-что о происходившем с самого начала. Конечно, по своей физической природе они идентичны всем остальным фотонам, но кинематические характеристи ки тех и других слегка различны: образовавшись при более высокой температуре, прямые фотоны обладают в среднем несколько большими поперечными (относительно линии сближения ядер) составляющими импульса. Чем выше энергия сталкивающихся ядер, тем выше начальная температура и, стало быть, тем больше должна быть их роль. Это вселяет определенную надежду заметить след, оставленный мимолетной кварк-глюонной плазмой.

Однако радоваться еще рано - трудности, стоящие на этом пути, вряд ли можно переоценить. Дело в том, что даже при очень высоких энергиях ожидаемое превышение специфических для плазмы сигналов над общим фоном, над всеми другими фотонами составляет, как правило, всего лишь несколько процентов. Поэтому убедиться в их реальном существовании, надежно отделить сигнал от возможных статистических и аппаратурных ошибок, мягко говоря, весьма и весьма непросто. Если указанный эффект все же достоверно установят и ему не удастся найти никакого альтернативного объяснения, прямые фотоны можно будет считать "посланниками" кварк-глюонной плазмы, и тогда по их количеству и кинематическим характеристикам станут судить о ее температуре, плотности и других свойствах.

Мы видим, что наряду с грандиозными экспериментальными проблемами большая нагрузка ложится и на теорию, которой отводится малоприятная задача доказать, что ряд тонких результатов эксперимента можно истолковать только одним способом. Исторически такое положение вещей вылилось в то, что за последние десять лет неоднократно предлагались "несомненные" критерии для суждения об образовании кварк-глюонной плазмы и на этой основе делались широковещательные заявления об ее открытии. Однако вскоре выяснялось, что соответствующий экспериментальный эффект допускает и другое объяснение. Последний раз такое случилось в марте 2000 года, когда было объявлено об открытии кварк-глюонной плазмы на европейском ускорителе (ЦЕРН, Женева) тяжелых ядер. Однако на сей раз это утверждение базировалось на "совокупно сти улик", что, конечно, делает его более весомым. Мы не будем сейчас перечислять эти "улики", хотя они и стоят того по той блестящей изобретательности ума, которая была продемонстрирова на при их поиске, - повторим только, что каждая из них не может служить доказательством, но все вместе они производят впечатление (кстати, одна из них - это те самые прямые фотоны с большими поперечными импульсами, о которых уже упоминалось выше). Теперь все взоры обращены на только что начавший работать новый американский ускоритель, позволяющий двадцатикратно повысить энергию столкновения тяжелых ядер. Думается, что окончательный ответ не за горами.

Очень хотелось бы закончить наш разговор на этой бодрой ноте, но объективности ради все же придется с большим сожалением подлить ложку дегтя в бочку меда. Завершаемый сейчас сюжет, как и многое другое, несомненно показывает, что дальнейшее погружение в бесконечную глубь пространства (субадронная динамика) и безначальную даль времени (астрофизика, космология) становится все более затратным и требует создания невероятно изощренных по замыслу и конструкции и исполинских по размерам экспериментальных установок. Например, диаметр кольца современных ускорителей достиг уже нескольких десятков километров, и совершенно очевидно, что это поколение ускорителей станет последним. Не менее впечатляют также габариты регистрирующей аппаратуры и виртуозность систем автоматической обработки данных, без которых ускорители остались бы всего лишь очень дорогостоящей и совершенно бессмысленной игрушкой. Но дело не только в этом. Быть может, еще более существенно, что знание, которого мы так взыскуем, становится все более и более опосредованным. Конечно, этот процесс начался с того самого момента, когда мы утратили возможность увидеть своими глазами или пощупать своими руками предмет исследования. Но теперь это, похоже, становится не по зубам и нашим приборам в том смысле, что им приходится иметь дело со все более отдаленными последствиями тех первичных процессов, до которых мы как раз и жаждем дотянуться, в то время как прямые следствия становятся все менее доступны. Почетная задача заполнить брешь, то есть установить причинно-следственную связь между тем, что было вначале, и тем, что реально поддается регистрации, ложится на плечи теории, которой, однако, тоже становится все труднее справляться с этим. В результате знание размывается. Ведь не от хорошей жизни научное суждение выносится "по совокупности улик" при том, что каждая из них сама по себе недостаточно убедительна, - это все-таки скорее из области судопроизводства, чем тот метод доказательства, который всегда был принят в так называемых точных науках. И явно неспроста в последние несколько десятилетий в научный обиход уже прочно вошло вполне благозвучное, но все-таки инородное для этого вида человеческой деятельности словечко "сценарий", почти явно узаконившее определенную амбивалентность научных суждений. Быть может, Природа и вправду таким образом и так неистово оберегает от нашего любопытства свои самые сокровенные тайны?


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Наука. Дальний поиск»

Детальное описание иллюстрации

Нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре атома располагаются довольно свободно. Но если уменьшить объем ядра раза в два, они будут "склеены" воедино. Это позволит кваркам и глюонам, из которых состоят частицы, покинуть своих "хозяев" и начать свободно двигаться по всему объему сжатого ядра.
Протоны и нейтроны относятся к группе барионов - "тяжелых" частиц. Одной из их внутренних характеристик служит так называемый барионный заряд. Барионный заряд атомного ядра равен его массовому числу. Барионы могут существовать только в области сравнительно низких плотностей заряда и при температурах не выше 10<SUP>12</SUP>К (за-штрихованная область). Условия за ее границами приводят к разрушению частиц и декомфайменту - возникает кварк-глюонная плазма.
Так получают кварк-глюонную плазму. Ядра свинца, разогнанные в коллайдере навстречу друг другу почти до световой скорости, сталкиваются. Колоссальное давление и огромная температура, возникающие при столкновении, разрушают нуклоны. Образуется кварк-глюон ная плазма. Ускоритель LHC разгонял ядра свинца до энергии 0,43 ГэВ на нуклон. В каждом акте столкновения участвовало до 3x10<SUP>8</SUP> ядер.