В ЦЕРНе (CERN, Швейцария) и в Брукхэвенской национальной лаборатории (Brookhaven National Laboratory, США) еще начиная с конца 80-х годов проводятся эксперименты по получению кварк-глюонной плазмы (КГП) - особого гипотетического состояния материи, при котором кварки (фундаментальные частицы, входящие в состав барионов и мезонов и в свободном состоянии в естественных условиях современной нам Вселенной не встречающиеся) как бы высвобождаются - могут перемещаться по всему объему ядерного вещества, обмениваясь глюонами. Появление такого нового состояния вещества ожидалось при плотности энергии, превышающей 2,5 ГэВ/фм³ (0,1 фм = 10^-16 м), когда должен произойти фазовый переход нуклонной материи в кварк-глюонную плазму (т.е. когда произойдет так называемый деконфайнмент кварков). Согласно современным теориям, кварк-глюонная плазма существовала только в первые 10^-5 с после Большого взрыва (такой своеобразный невероятно горячий и плотный "суп").

Некоторые указания на рождение рукотворной кварк-глюонной плазмы были получены в 2000 году в ЦЕРНе в опытах по столкновению ионов свинца. Полная энергия сталкивающихся ионов составила порядка 33 ТэВ, а для образования кварк-глюонной плазмы необходимо около 3,5 ТэВ. Плотность образовавшейся материи превышала плотность материи в ядрах приблизительно в 20 раз. Однако американцы выражали сомнения в выводах своих европейских коллег и утверждали, что впервые кварк-глюонную плазму удалось получить все-таки им самим в ходе более поздних экспериментов (2001) по столкновению ионов золота на коллайдере релятивистских тяжелых ионов RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) в Брукхэвене (на сегодняшний день это самая мощная установка для экспериментов в области ядерной физики). При этом были достигнуты в 10 раз большие энергии, чем у ЦЕРНа. Трудности идентификации состояния кварк-глюонной плазмы (это может быть сделано по аномальному выходу нейтронных пар, эмиссии фотонов, аномально большому выходу странных частиц) связаны с тем, что, во-первых, существует большой фон за счет событий сильного взаимодействия нуклонов, а во-вторых, длительность кварк-глюонной стадии эволюции ядерной системы очень мала. И на самом деле вопрос о том, удалось ли при столкновениях ядер свинца или золота сжать вещество до образования кварк-глюонной плазмы, до сих пор оставался открытым, и лишь недавние контрольные эксперименты позволили несколько прояснить ситуацию и добавили уверенности "творцам Большого взрыва" из Брукхэвена.

Надо заметить, что до запуска установки в Брукхэвене некоторые специалисты предрекали, что подобные научные эксперименты на ускорителях частиц могут привести чуть ли не к концу всей нашей Вселенной (и старту нового цикла новой вселенной) или, по меньшей мере, к формированию микроскопической черной дыры, которая затем затянет внутрь себя все, до чего сможет дотянуться, то есть на физиков-ядерщиков смотрели как на азартных игроков в "русскую рулетку", где ставка - судьба всего мира.

Во время эксперимента 2001 года все четыре датчика RHIC - STAR, PHENIX, BRAHMS и PHOBOS - регистрировали специфический эффект, названный подавлением струи (jet quenching). Когда сталкиваются два иона в обычных условиях, они дают две струи частиц, рассеивающихся в противоположных направлениях. Но в эксперименте по столкновению золотых ядер в Брукхэвене датчики временами фиксировали наличие только одной струи. Теперь физики склонны считать, что все это и соответствует тому, что можно ожидать от "супа" из свободных кварков: если столкновение произошло вблизи края КГП, одна частица будет выброшена, в то время как другая - поглощена "плазмой" (эта только одна из возможных моделей). Теоретики задались вопросом, должен ли подобный эффект проявляться только с высокоэнергичными золотыми ядрами или то же самое должно произойти с любым другим видом вещества? Были поставлены контрольные эксперименты (январь - март 2003 года), в ходе которых ионы золота сталкивались с гораздо более легкими ионами дейтерия. Хотя энергия ионов золота оставалась такой же, как и в основных экспериментах, совокупной энергии столкновения было уже недостаточно, чтобы получить кварк-глюонную плазму. Когда два разогнанных золотых ядра сталкиваются "лоб в лоб", достигаемые при этом температуры настолько экстремальны (они более чем в 300 млн раз превышают температуру поверхности Солнца), что протоны и нейтроны в сливающихся золотых ядрах "плавятся", выпуская "на свободу" составляющие их кварки и глюоны. Напротив, маленький дейтрон проходит через "большое" ядро золото "подобно пуле", не нагревая и не сжимая его. Ядро золота остается в своем обычном состоянии, то есть составленным из привычных протонов и нейтронов.

Полученные данные все еще изучаются, но основной вывод уже сделан: "подавления струи" в золото-дейтериевых столкновениях не наблюдается - этот результат подтвержден анализом показаний датчика PHENIX и других. Из этого следует, что подавление струи, скорее всего, - следствие рождения кварк-глюонной плазмы, а не непосредственно ионов золота.

Исследователи планируют новую серию экспериментов, чтобы почувствовать абсолютную уверенность в результатах. Они также планируют изучить столкновения при более низких энергиях в надежде пронаблюдать переход из обычного вещества в кварк-глюонную плазму и, в конечном счете, больше узнать о сильных взаимодействиях, которые "скрепляют" кварки в протонах и нейтронах.

Помимо этого сенсационного результата, эксперименты в Брукхэвенской лаборатории позволили получить и другие интересные данные. При столкновении ядер, помимо продуктов их расщепления (более легких ядер и нейтронов) рождается множество других частиц, которые образуют плотный горячий сгусток (fireball) и разлетаются взрывным образом от точки столкновения. Оказалось, что при столкновении ядер золота частицы рождаются более интенсивно, чем ожидалось, а стадия их рождения в сгустке длится значительно меньшее время, чем предсказывалось теоретически. Также, вопреки расчетам, стадия рождения частиц укорачивается с увеличением энергии.

Источники:
Exciting First Results from Deuteron-Gold Collisions at Brookhaven - Brookhaven National Laboratory
Big Bang 'soup recipe' confirmed - New Scientist

Ссылки:
Столкновения ультрарелятивистских ионов золота - Научная сеть
Кварк-глюонная плазма - новое состояние вещества - В.А.Салеев
Открытые вопросы физики ядра и частиц
Ручей в небо - Леонид Ширшов
Горячие ядра и фазовый переход жидкость-газ в ядерном веществе - В.А.Карнаухов