Пятое состояние вещества, или еще одна плазма

..."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...

...Кварк-глюонная плазма, к рассказу о которой мы сейчас приступаем, принадлежит, думается, к тому же кругу явлений природы.

И. Ройзен

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 этого 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 стремится к бесконечности:

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).

....

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.

....

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 окончательного 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 характеристики 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

"совокупности 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 продемонстрирована 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...

Подробнее см.: http://www.nkj.ru/archive/articles/7754/ (Наука и жизнь, КВАРК-ГЛЮОННАЯ ПЛАЗМА)