"Хорошо, что кварки связаны". Ученые рассказали о субатомном оружии

Теоретики полагают, что во Вселенной существует кварковое вещество. Оно образует звезды, блуждает по космосу, достигая Земли в виде страпелек, на мгновение возникает в ускорителях. Найдется ли кваркам и энергии их взаимодействия практическое применение — в материале РИА Новости.



Пруд во Вселенной

Все, что мы видим вокруг — почва, деревья, животные, люди, — на базовом уровне состоит из кварков. И у них очень необычные свойства.

Кварки не существуют по отдельности, а образуют агрегаты, например, протоны и нейтроны в ядрах обычного вещества. Между собой кварки связаны чудовищными силами, разорвать которые способны только мощнейшие ускорители. Ничего более крепкого, чем удерживающее кварки сильное взаимодействие, в природе нет.

Кварки — массивные частицы. Массу им придает вакуумный конденсат, равномерно заполняющий все пространство.

"Вакуум — это наша среда обитания, в которую мы все погружены. Раньше считали, что пространство абсолютно пустое. Теперь поняли: так не бывает. Пространство всегда чем-нибудь заполнено. Его можно очистить от посторонних частиц, но не до конца. Что-то в любом случае остается, в том числе хиггсовский, глюонный конденсаты", — рассказывает доктор физико-математических наук Сергей Баранов, ведущий научный сотрудник лаборатории взаимодействия излучения с веществом ФИАН.

Вакуумные конденсаты равномерно разлиты в пространстве, словно вода в пруду, приводит аналогию ученый. Когда вода спокойная, мы ее не замечаем. Подул ветер — пошла волна, которую мы и наблюдаем.

Если в хиггсовском конденсате вязнут частицы с электрическим зарядом, то в глюонном — только с цветным. У кварка есть оба, поэтому его масса складывается из двух источников.

Кварки неделимы, их по праву можно назвать истинными кирпичиками мироздания. Стандартная модель описывает шесть типов кварков в трех поколениях. Самый тяжелый — топ-кварк — может появиться только в мощнейших ускорителях (Теватрон, БАК).

Обычно кварки сидят по своим "квартиркам" — протонам, нейтронам. Между собой они очень прочно склеены глюонным конденсатом, разорвать который невозможно. Только при очень высокой температуре и плотности в ускорителях кварки покидают "квартирки" и образуют кварк-глюонную плазму.

Можно ли расщепить кварки

Кварки и глюонный конденсат взаимодействуют благодаря особой характеристике — цвету. Конечно, это совсем не то, что мы называем цветом в нашей реальности.

"Цветной заряд похож на электрический, только сложнее устроен. Силовые электрические линии располагаются гуще или реже — в зависимости от расстояния до носителя заряда. У цветного заряда картина иная. Все силовые линии стянуты в узкий шнурок, соединяющий два цветных заряда. Толщина у него постоянная. Это означает, что напряжение поля между зарядами не меняется с расстоянием. Строго говоря, разъединить кварки нельзя, потому что нужно затратить бесконечную энергию", — поясняет Баранов.



Однако природа устроена более хитро. В ускорителе кварки растягивают связывающий их силовой шнурок, и в какой-то момент он просто рвется, потому что так энергетически выгоднее. При этом на концах шнурков образуются новые кварки с массой, равной затраченной на разрыв энергии. И возникает всегда тоже пара — на цветном шнурке. Это называется конфайнментом.

"Очень хорошо, что кварки так связаны. Если бы они вылетали из ядра, образовалась бы ужасная кварковая бомба с энергией больше, чем при ядерном взрыве. Дефект массы близок к ста процентам", — говорит Олег Теряев, начальник отдела физики высоких энергий ОИЯИ (Дубна).

Конфайнмент ставит крест на кварковой бомбе. Расщепить кварковые агрегаты и запустить цепную реакцию их распада с выделением энергии, по аналогии с ядерным распадом, нельзя.

"Энергия в кварках не запасается, а превращается во множество родившихся в этом столкновении частиц. Пока это игрушки для ума, от которых практической выгоды не видно", — заключает Сергей Баранов.

Разноцветные гантельки — это пара кварков, связанных "цветными" силами. Чем дальше их растаскивать, тем крепче связь. В какой-то момент она рвется, и на концах возникают новые кварки. В несвязанном состоянии эти частицы не существуют.

Кварковый термояд

Что если рассмотреть не распад кварков, а их синтез? Согласно опубликованной в Nature статье физиков из Израиля и США, слияние двух странных кварков (так называют одну из их разновидностей) с образованием дикварка сопровождается выходом энергии 12 мегаэлектронвольт. Это чуть меньше, чем при слиянии ядер дейтерия и трития с образованием ядра гелия — реакции, используемой в водородной бомбе. Слияние двух более тяжелых B-кварков даст 138 мегаэлектронвольт.

Однако кварковый синтез слишком стремителен, чтобы успеть его куда-то упаковать или как-то удержать.

Идею кваркового или мезонного (кварк-антикваркового) оружия обсуждали в годы холодной войны, но быстро признали несостоятельной. Ее удел — научная фантастика.

Вот как говорится об этом в романе Сергея Лукьяненко "Лорд с планеты Земля": "Кварковая бомба использовалась для одной-единственной цели. И применяли ее лишь дважды, после чего самые воинственные миры галактики присоединились к договору о запрещении такого оружия. Кварковая бомба уничтожала целую планету. Защиты от нее не существовало".

"Если кидать в кварковое вещество обычное, то оно превратится в кварковое, причем с выделением энергии. Часть унесет нейтрино, часть пойдет в тепло", — рассуждает доктор физико-математических наук Сергей Попов, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга.

И добавляет, что совсем поглотить наш мир кварковое вещество не сможет. Оно заряжено положительно, как и атомные ядра. Следовательно, заряд будет накапливаться, и кварковое пожирание материи в какой-то момент затормозится.

"От заряда придется избавляться. Можно, в принципе, придумать как. Почему бы и нет? Ученые пытаются обсуждать даже, как черпать энергию из расширяющейся Вселенной. Мы не знаем, реализуется ли такой процесс в природе, удастся ли им манипулировать. Но понимая, что проблемы технические, а не фундаментальные, я не могу не допустить эту идею в фантастическом романе", — говорит ученый.



Пульс звезд

Гипотезу о кварках выдвинули в 1964 году американские ученые. Уже через год советские физики Дмитрий Иваненко и Дмитрий Курдгелаидзе предположили, что при некоторых условиях кварки могут существовать по отдельности (произойдет деконфайнмент). Следовательно, они способны образовывать вещество и звезды. Попытки найти в космосе такие объекты пока не увенчались успехом, однако это не значит, что их нет.



"Возможно, какие-то из нейтронных звезд — кварковые с тоненькой оболочкой обычного вещества", — объясняет Сергей Попов.

Нейтронные звезды очень плотные. Их радиус — всего десятки километров. Не исключено, что внутренняя часть состоит из отдельных кварков. Теоретически возможны и целиком кварковые звезды с радиусом шесть-восемь километров.

"Если сближать нейтроны, произойдет обобществление кварков, образуется кварковое ядро во внутренней части звезды. В разных моделях такие ядра возникают. Но на нынешней стадии развития наблюдательной астрофизики ни подтвердить, ни опровергнуть это нельзя", — уточняет Олег Теряев.

© NASA/CXC/M.Weiss
Как устроены компактные звезды

Зачерпните мне кварков

"На очень короткое время кварковое вещество возникает в столкновениях тяжелых ионов, например, золота. Как образуются разные фазы у воды — жидкость, лед, пар. Кварковое вещество представляет собой такую фазу. Примеси ее возникают в разных процессах — как маленькие капельки", — продолжает ученый.

Эксперименты с кварковым веществом и кварк-глюонной плазмой уже проводятся. Принципиально новый подход к проблеме применят в Дубне на строящемся коллайдере NICA. Но все это очень короткоживущие процессы, о которых физики узнают косвенным путем. Наблюдать кварковое вещество напрямую, скорее всего, не получится.

© Иллюстрация РИА Новости . А.Полянина
Так художник представляет себе столкновение тяжелых ядер золота и образование кварк-глюонной плазмы

Можно ли его вообще как-то обнаружить?

"Была красивая идея — найти вещество, вылетающее при слиянии кварковых звезд. В отличие от нейтронного, кварковое вещество способно оставаться в стабильном состоянии. Оно разлетается в виде страпелек — странных капелек — от английского термина strangelet. Возникают такие аномальные штуки, которые могут зафиксировать детекторы космических лучей по необычному отношению массы к заряду", — говорит Сергей Попов.

Другая идея состояла в том, чтобы уловить следы страпелек, пробивающих Землю насквозь.



"Их плотность, если округлить, в десять раз больше ядерной. При большой массе они могут быть очень компактными, почти как черные дыры. Страпелька, пролетев Землю со скоростью примерно пятьсот километров в секунду, вызовет слабую сейсмичность. Соответственно, искали сигналы сейсмографов, расположенных далеко друг от друга на прямой линии", — рассказывает астрофизик.

Какое-то время общественность волновал вопрос, не опасны ли страпельки. Эдварду Виттену, американскому физику-теоретику, автору гипотезы о кусках кварковой материи, блуждающей во Вселенной со времен Большого взрыва, пришлось разъяснять, что странные капельки не опаснее кислорода в атмосфере. Впрочем, их так и не обнаружили.

"Изучение кварков — это приобретение фундаментального знания, применимого в ядерной энергетике", — считает Олег Теряев.

По его мнению, кварковую материю следует рассматривать как нечто промежуточное, катализатор чего-то. Капельки кварков хоть и маленькие, возможно, пригодятся в каком-то типе реакций.



РИА Новости https://ria.ru/science/20180803/1525805011.html