Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Поймать кварк-глюонную плазму

Анна Смирнова

В городе Дубна Московской области на базе Объединённого института ядерных исследований продолжается строительство нового ускорительного комплекса NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAсility), основанного на нуклотроне ионного коллайдера. Сталкивая пучки тяжёлых ионов на скоростях, близких к скорости света, исследователи намерены получить горячую и экстремально плотную материю. Условия, создаваемые в ускорителе, будут напоминать первые доли секунд существования Вселенной. Сегодня вещество в похожем состоянии можно обнаружить лишь в ядрах нейтронных звёзд.

Схема ускорительного комплекса NICA — коллайдера протонов и тяжёлых ионов, строящегося на базе Лаборатории физики высоких энергий им. В. И. Векслера и А. М. Балдина Объединённого института ядерных исследований в городе Дубна Московской области. Построенный ранее и обновлённый ускоритель «Нуклотрон» играет для NICA роль предускорителя. Рисунок: Nikita Sidorov/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0.

На Всероссийской конференции «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», недавно прошедшей в ИКИ РАН, Владимир Дмитриевич Кекелидзе, вице-директор ОИЯИ, отметил, что в области больших энергий уже выполнено много экспериментов, например, на Большом адронном коллайдере, но особенность мегапроекта NICA — достигнуть максимальной плотности вещества, так как данных о материи в таком состоянии пока недостаточно.

Изучение кварк-глюонной плазмы — одна из приоритетных задач мегапроекта NICA. Напомним, протоны и нейтроны (нуклоны) состоят из кварков — мельчайших по современным представлениям фундаментальных частиц. Кварки имеют массу и взаимодействуют между собой с помощью безмассовых короткоживущих глюонов. Получается своеобразный «бульон», где они удерживаются вместе и образуют кварковые системы — составные частицы, которые называют адронами. Протоны и нейтроны — типичные примеры таких кварковых систем.

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

Интересно, что в обычных условиях разделить кварки между собой не получится. Причиной этому служит явление конфайнмента, которое запрещает кваркам находиться в свободном состоянии. Но есть особое состояние вещества, при котором это правило нарушается, — кварк-глюонная плазма. При значительном увеличении плотности или температуры вещества адроны могут «расплавиться» и образовать непрерывную среду, внутри которой кварки вперемешку с глюонами ведут себя как свободные
частицы.

Этого состояния можно достичь, если очень сильно сжать вещество. Тогда нуклоны в нём сблизятся настолько, что кварки перестанут различать «свой» и «чужой» нуклон и начнут свободно перемещаться в пределах всего объёма сжатого вещества. Произойдёт деконфайнмент — явление, обратное конфайнменту. Как этого достичь? Необходимо столкнуть тяжёлые ядра, состоящие из сотен протонов и нейтронов, ускоренных до очень высоких энергий.

Сначала два пучка ионов золота разгоняются до околосветовых скоростей. Когда нужная энергия достигнута, происходит «лобовое» столкновение — два встречных пучка налетают друг на друга. В момент столкновения материя разогревается и сжимается так, что ожидается образование кварк-глюонной плазмы. В дальнейшем она расширяется, охлаждается, происходит адронизация — процесс «слипания» кварков в адроны. Образуется адронный газ — смесь получившихся из кварков частиц, взаимодействующих между собой. Затем адроны перестают взаимодействовать и наступает так называемое кинетическое замерзание, при котором состав и энергии частиц уже не меняются. Помимо адронов, имеющих кварковый состав, в процессе столкновения образуются частицы другого типа — лептоны, которые из кварков не состоят и считаются неделимыми. В итоге детекторы ускорителя регистрируют образовавшиеся продукты столкновения, по которым делается вывод о происходивших процессах.

Для чего исследуются эти процессы? Очень важно получить информацию о фазовом переходе кварк-глюонная плазма — адронный газ. Всем хорошо знаком бытовой пример фазового перехода: кипение жидкости. Вода, закипая в чайнике, переходит из жидкого состояния в газообразное — это и есть фазовый переход. Замерзание льда, плавление металла, конденсация капель на окнах — всё это примеры того же явления. Аналогичные процессы происходят и с кварк-глюонной плазмой, когда она превращается в адронный газ (или наоборот).

У фазовых переходов есть важная характеристика — критическая точка. Это такое соотношение температуры и давления, при котором две фазы находятся в равновесии. Например, вода находится в равновесном состоянии жидкость — пар при температуре 374оС и давлении в 218 раз больше атмосферного. А вот для равновесия кварк-глюонной плазмы с адронным газом такая точка ещё не найдена. Теоретические расчёты подсказывают, что она лежит в области плотностей и температур, в пределах которых будет работать NICA.

Изучение кварк-глюонной плазмы поможет пониманию эволюции нашей Вселенной на ранних этапах. Предполагается, что в первые микросекунды после Большого взрыва вещество было настолько горячим, что огромная энергия не позволяла образоваться составным частицам вроде протона. Поэтому какое-то время Вселенная была заполнена кварк-глюонной плазмой. Если удастся получить более точное представление об этом состоянии, то самые ранние процессы во Вселенной станут понятнее, а значит, удастся «подобраться» ещё ближе к описанию момента Большого взрыва.

Скорее всего, во Вселенной и сейчас есть «лаборатории» по созданию кварк-глюонной плазмы. Жизненный цикл некоторых звёзд предполагает резкое увеличение яркости и выделение большого количества энергии — вспышку сверхновой. В результате образуются маленькие (по космическим меркам!), но невероятно плотные звёзды, которые называются нейтронными. Их массы сопоставимы с солнечной, а радиус составляет около 10—20 км. Считается, что внутри нейтронных звёзд существует ядро из кварк-глюонной плазмы. Изучение условий её возникновения может помочь в описании механизмов образования таких объектов.

Помимо основной задачи проекта — достижения максимальной плотности вещества — есть и другие. К примеру, большой интерес представляет исследование спиновой структуры, которая считается важной квантовой характеристикой частиц. Также на комплексе NICA планируются исследования по материаловедению, медицине, электронике, сверхпроводящей технике и другим дисциплинам.

Новый ускорительный комплекс рассчитывают ввести в эксплуатацию в 2020 году.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Наука. Вести с переднего края»