Ложечка кваркового супа: что такое кварк-глюонная плазма и какими свойствами она обладает
Кварк-глюонная плазма как особое состояние материи
В привычных условиях вещество существует в виде твёрдого тела, жидкости или газа. При изменении температуры и давления оно переходит из одного состояния в другое: лёд превращается в воду, вода - в пар. Однако в экстремальной физике существуют формы материи, которые невозможно получить на обычной кухне или даже в большинстве земных природных условий.
К таким состояниям относят конденсат Бозе - Эйнштейна, суперионный лёд, странную материю и кварк-глюонную плазму. Последняя особенно интересна тем, что, вероятно, именно в таком виде находилась Вселенная вскоре после Большого взрыва.
Кварк-глюонная плазма, или QGP, представляет собой сверхгорячую и сверхплотную среду, в которой кварки и глюоны перестают быть "запертыми" внутри протонов и нейтронов. В обычной материи эти частицы объединены в составные объекты - адроны. При колоссальной температуре сильное взаимодействие уже не удерживает их в привычной форме, и возникает своеобразный "суп" из почти свободных кварков и глюонов.
Как выглядела ранняя Вселенная
Через ничтожные доли секунды после Большого взрыва температура Вселенной достигала триллионов градусов. Материя тогда не состояла из атомов, ядер и даже отдельных протонов с нейтронами. Она представляла собой чрезвычайно горячую смесь элементарных частиц.
По мере расширения и охлаждения космоса произошёл фазовый переход: кварки и глюоны начали объединяться в адроны. Из них позднее сформировались протоны и нейтроны, а затем - атомные ядра, атомы, звёзды и галактики. Поэтому изучение кварк-глюонной плазмы позволяет заглянуть в самые ранние этапы эволюции Вселенной и проверить, насколько современные теории описывают её рождение.
Из чего состоят протоны и нейтроны
Существование кварков независимо предсказали Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг в 1964 году. В первоначальной модели фигурировали три разновидности кварков: верхний, нижний и странный.
Верхний кварк имеет электрический заряд +2/3, нижний и странный - −1/3. Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка, а нейтрон - из одного верхнего и двух нижних. При этом кварки не существуют внутри этих частиц как неподвижные шарики: они постоянно взаимодействуют друг с другом, обмениваясь глюонами.
Глюоны являются переносчиками сильного взаимодействия - одной из фундаментальных сил природы. Именно они связывают кварки в адронах. Название происходит от английского glue - "клей", что хорошо отражает их роль.
Позднее были открыты ещё три кварка: очарованный, прелестный и истинный. Они значительно тяжелее верхнего и нижнего и быстро распадаются, поэтому в обычной материи практически не встречаются. Однако в столкновениях высокоэнергетических частиц они могут рождаться и оставлять характерные следы.
Почему кварки нельзя увидеть по отдельности
У сильного взаимодействия есть необычная особенность - конфайнмент. В отличие от электрического взаимодействия, которое ослабевает с увеличением расстояния, связь между кварками при попытке их раздвинуть не исчезает. Она становится настолько сильной, что энергия системы начинает превращаться в новые пары кварк - антикварк.
Поэтому извлечь один кварк из протона невозможно. Вместо этого образуются новые составные частицы. Именно по этой причине физики изучают кварки не напрямую, а по результатам столкновений и распадов адронов.
При экстремальном нагреве ситуация меняется. На очень короткое время кварки и глюоны оказываются в состоянии деконфайнмента - теряют привязку к отдельным протонам и нейтронам. Так возникает кварк-глюонная плазма.
Как получают кварк-глюонную плазму
Создать QGP можно только в столкновениях тяжёлых атомных ядер, разогнанных до огромных энергий. Когда ядра свинца или золота врезаются друг в друга почти со скоростью света, их энергия концентрируется в области размером порядка атомного ядра.
На мгновение образуется микроскопическая капля сверхгорячей материи. Её температура достигает триллионов градусов, однако существует она крайне недолго - примерно (10^{-23}) секунды. Затем плазма расширяется, остывает и снова превращается в обычные адроны.
Доказательства существования такого состояния были получены в экспериментах с тяжёлыми ионами в начале XXI века. Исследования проводились на крупных ускорительных комплексах, включая установки в США и Европе. Важную роль сыграли эксперименты на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов и Большом адронном коллайдере.
Плазма оказалась не газом, а почти идеальной жидкостью
Первоначально предполагалось, что кварк-глюонная плазма будет напоминать разреженный газ свободных частиц. Но эксперименты показали неожиданную картину. QGP ведёт себя скорее как чрезвычайно горячая жидкость с очень низкой вязкостью.
Во время столкновения образуется область, которая быстро расширяется. Её частицы движутся не хаотично, а коллективно, словно единая среда. Наблюдаемые потоки вещества и характер распределения продуктов распада указывают на наличие гидродинамического поведения.
Кварк-глюонную плазму иногда называют почти идеальной жидкостью. Это не означает, что её вязкость буквально равна нулю. Речь идёт о необычно малом отношении вязкости к плотности энтропии - одном из ключевых параметров, описывающих течение вещества.
Насколько плотной бывает QGP
Плотность энергии кварк-глюонной плазмы во много раз превосходит плотность обычного атомного ядра. В лаборатории удаётся создать состояние, в котором на крошечном объёме сосредоточено колоссальное количество энергии.
Важно, что речь не идёт о "капле" в бытовом смысле. Размер такой области сравним с размерами нескольких атомных ядер, а время её жизни настолько мало, что непосредственно наблюдать плазму невозможно. О её свойствах судят по вторичным частицам, которые возникают после охлаждения системы.
Физики анализируют распределение адронов, струй частиц, фотонов и лептонов. По этим данным восстанавливают температуру, плотность, скорость расширения и другие характеристики краткоживущей среды.
Что происходит при охлаждении
После образования QGP начинает стремительно расширяться. Расширение приводит к падению температуры, и в некоторый момент кварки вновь объединяются в адроны. Этот процесс называют адронизацией.
Возникающие частицы образуют каскады распадов, или струи. Детекторы фиксируют уже не кварки и глюоны, а протоны, нейтроны, пионы, каоны, гипероны и другие частицы.
Каоны содержат странный кварк или антикварк. Их изучение особенно полезно, поскольку странность может служить своеобразным индикатором рождения горячей кварковой среды. Аналогичные признаки дают гипероны и другие частицы, которые редко образуются в обычных протон-протонных столкновениях.
Может ли существовать глюбол
Теоретически сильное взаимодействие допускает существование объектов, состоящих только из глюонов. Такие частицы называют глюболами. В отличие от протонов и нейтронов, они не содержали бы валентных кварков, однако глюоны могли бы удерживать друг друга благодаря собственной цветовой нагрузке.
Экспериментально надёжно подтвердить существование глюболов пока не удалось. Сложность связана с тем, что их возможные состояния могут смешиваться с обычными мезонами. Поэтому обнаружить "чистый" глюонный объект чрезвычайно трудно.
Тем не менее поиски глюболов важны для проверки квантовой хромодинамики - теории сильного взаимодействия. Их открытие стало бы прямым подтверждением того, что глюонное поле способно формировать связанные системы без участия кварков.
Есть ли практическое применение
Непосредственно использовать кварк-глюонную плазму в промышленности невозможно. Она существует слишком мало и требует ускорителей гигантских размеров и энергий. Никакой "ложечки" такой материи нельзя сохранить, перенести или поместить в контейнер: при охлаждении она мгновенно исчезает, превращаясь в поток обычных частиц.
Однако фундаментальные исследования QGP имеют большое прикладное значение. Они помогают совершенствовать детекторы, ускорительные технологии, методы обработки огромных массивов данных и модели поведения сверхплотной материи.
Кроме того, понимание сильного взаимодействия необходимо для описания нейтронных звёзд, сверхновых и столкновений компактных космических объектов. Внутри нейтронных звёзд могут существовать состояния материи, частично напоминающие кварковую фазу, хотя условия там отличаются от тех, что создаются в ускорителях.
Почему это важно для физики
Кварк-глюонная плазма связывает несколько областей науки: физику элементарных частиц, космологию, ядерную физику и гидродинамику. Она позволяет проверять теории в режиме, недоступном для обычных экспериментов.
Исследования QGP показывают, что материя на фундаментальном уровне может вести себя совсем не так, как подсказывает повседневный опыт. Среда, возникшая из столкновения ядер и нагретая до триллионов градусов, неожиданно проявляет свойства почти идеальной жидкости.
Таким образом, кварк-глюонная плазма - не фантастическая форма вещества, а реально наблюдаемое, хотя и чрезвычайно кратковременное состояние. Она существовала в ранней Вселенной, возникает в современных ускорителях и помогает понять, каким образом из первичного горячего "супа" сформировались протоны, нейтроны и вся окружающая нас материя.
