Ложечка кваркового супа. Об истинных и возможных свойствах кварк-глюонной плазмы

Привет, Хабр.

В своё время я обнаружил в хабе «Научпоп» интересную нишу, статьи из которой вам нравится читать. Речь о статьях, которые рассматривают экзотические агрегатные состояния вещества. Я впервые попробовал зайти в неё со статьями «Колыбель для страпельки» и «Чёрное сердце Нептуна, или как был открыт суперионный лёд». Ещё одно важное экзотическое агрегатное состояние – это конденсат Бозе-Эйнштейна, обладающий уникальным набором свойств (кстати, уважаемый @it_history публиковал на Хабре переводной материал «Человек, подчинивший себе половину частиц во Вселенной», посвящённый великому Шатьендранату Бозе).

Экзотические агрегатные состояния возникают в условиях, когда температура, давление и концентрация вещества сильно отличаются от значений, обычных у поверхности Земли. В этой статье мы разберём ещё одно, несомненно, реальное агрегатное состояние вещества — кварк-глюонную плазму, а также затронем физические свойства условно гипотетических, но неплохо описанных на кончике пера «глюболлов» — клубочков, не содержащих кварков, а состоящих из чистых глюонов. 

Кварк-глюонная плазма как агрегатное состояние вещества

В 1977 году Стивен Вайнберг (1933-2021) написал культовую научно-популярную книгу «Первые три минуты», в которой описал, как протекали первые важнейшие эпохи в истории Вселенной, предшествовавшие возникновению протонов и нейтронов. В первые 10 секунд после Большого Взрыва уложились семь важнейших эпох в истории Вселенной, в том числе, инфляционная эпоха, о которой на Хабре неоднократно рассказывали.    

Но через считанные миллионные доли секунды после Большого Взрыва Вселенная представляла собой немыслимо горячую смесь из свободных кварков и глюонов. Спустя микросекунды (наступила лептонная эпоха), эти частицы стали сливаться в протоны и нейтроны. 

В течение XXI века предпринимаются попытки искусственно воссоздать этот состав, названный «кварк-глюонной плазмой» (QGP). Доказать возможность её получения впервые смогли в 2005 году. В 2019 году на сайте «Элементы» вышла статья уважаемой Анны Смирновой «Поймать кварк-глюонную плазму», в которой подведены промежуточные итоги этих поисков.

В повседневной жизни мы наблюдаем три основных агрегатных состояния вещества — твёрдое, жидкое и газообразное. При нагревании вещество переходит между агрегатными состояниями именно в направлении «твёрдое тело-жидкость-газ». В некоторых случаях переход происходит сразу из твёрдого тела в газ, минуя жидкость — например, если бросить кубик льда в огонь. Такое явление называется «сублимация». 

Непосредственно после Большого Взрыва материя, разогретая до триллионов градусов, также могла напоминать газ. Вероятно, можно довести вещество до такого агрегатного состояния в ускорителях, добиваясь как можно более частых и высокоэнергетических столкновений как можно более тяжёлых элементарных частиц и доводя температуру в ускорителе до таких «триллионных» величин. При триллионных температурах должно затухать сильное взаимодействие, удерживающее в целости протоны и нейтроны. Протоны и нейтроны, в свою очередь, не являются подлинно элементарными частицами, а состоят из кварков (это подмножество фермионов) и глюонов (это бозоны, как раз являющиеся переносчиками сильного взаимодействия).     

Как были открыты кварки

Существование кварков впервые (независимо друг от друга) предположили на кончике пера Марри (Мюррей) Гелл-Ман и Джордж Цвейг в 1964 году. Напомню, как кварки вписываются в семейство фермионов (самым известным фермионом, который может существовать в свободном состоянии, является электрон).

На этой иллюстрации, взятой из статьи уважаемого Ариса Ваулина @VAE «Материя. Стандартная модель» показано, что кварки, в отличие от лептонов, обладают дробным зарядом.   

Марри Гелл-Ман предположил существование трёх кварков: верхних (up, заряд +2/3), нижних (d, заряд -1/3) и странных (strange, заряд -1/3). Из этих умозрительных фермионов можно было сложить протон (верхний+верхний+нижний) и нейтрон (нижний+нижний+верхний), а комбинации со странными кварками позволяли вообразить частицы (в частности, каоны), не вписывавшиеся в известную тогда часть Стандартной Модели. Каон (K-мезон) — это элементарная частица (бозон), состоящая из странного антикварка, верхнего кварка и нижнего кварка. В настоящее время каоны (а также гипероны и другие частицы, содержащие странные кварки) экспериментально получены в ускорителях. Вполне изучен кварковый состав и рисунок распада этих частиц, но в состав окружающей нас материи они не входят, поскольку образуются при высоких энергиях и являются крайне короткоживущими.      

Опыты со столкновением адронов (прежде всего, протонов) в ускорителях частиц показали, что кварки — это реальные физические частицы с конечными массами. Верхний кварк примерно вдвое легче нижнего, а странный кварк в 50 раз тяжелее верхнего — поэтому его и относят к кваркам второго поколения. В 1974 году две группы учёных (под руководством Бертона Рихтера и Сэмюэла Чао Чунг Тинга) открыли очарованный кварк (c-кварк), входящий в состав джей-пси мезона и наряду со странным кварком относящийся ко второму поколению. В 1977 году группа под руководством Леона Ледермана открыла первый из кварков третьего поколения – прелестный кварк (b-кварк), входящий в состав ипсилон-мезона.

Глюон (см. выше) при этом является безмассовым. Эта частица служит только для удержания кварков в составе адрона. Таким образом, если бы удалось разложить на кварки протоны и нейтроны, то мы получили бы раскалённую до триллионов градусов газообразную смесь (как вариант — идеальную жидкость), состоящую из верхних кварков, нижних кварков и глюонов.

Такой состав называется «кварковым супом» или кварк-глюонной плазмой. Ранее в статье «В поисках кварковых звёзд» я рассказывал, каким образом в недрах нейтронных звёзд могут складываться условия для подобного распада нейтронов на свободные кварки.

О некоторых физических свойствах кварк-глюонной плазмы

Исходя из квантовой хромодинамики, при нужных условиях можно получать из кварков и глюонов следующие классы частиц

• Барионы (каждый из 3 кварков) или антибарионы (по 3 антикварка).

• Мезоны (пара кварк-антикварк).

• Экзотические элементарные частицы тетракварки (2 кварка и 2 антикварка), пентакварки (4 кварка и 1 антикварк или 1 кварк и 4 антикварка), гексакварки (6 кварков, 3 кварка и 3 антикварка или 6 антикварков. Тетракварки и пентакварки были зафиксированы на Большом Адронном Коллайдере, соответственно, в 2014 и 2015 годах.

• Наконец, теоретически можно получить глюоний — вещество, состоящее исключительно из глюонов, не содержащее кварков. Различные сообщения о получении глюония поступали в 2015, 2020 и 2024 годах, но пока он считается гипотетическим.

Сырьём для всех этих частиц и была кварк-глюонная плазма, остававшаяся основным состоянием вещества во Вселенной в первые микросекунды после Большого Взрыва. Вероятно, она вела себя как невероятно текучая жидкость, где свободные кварки и антикварки контактировали друг с другом (текли) благодаря сильному взаимодействию. Аналогичная текучесть обычной жидкости обеспечивается благодаря электромагнитному взаимодействию между молекулами. Но, чтобы смоделировать поведение кварк-глюонной плазмы и определить, на что она больше похожа — на адронный газ или сверхтекучую жидкость — нужно представлять, как именно свободные кварки и глюоны контактируют под влиянием сильного взаимодействия и без участия электромагнитного, что очень сложно воспроизвести даже в рамках компьютерной модели.

Условия для существования кварк-глюонной плазмы можно искусственно получить только на ускорителях частиц, сталкивая протоны на субсветовых скоростях. Насколько мне удалось установить, впервые об экспериментальном получении кварк-глюонной плазмы сообщили в начале 2001 года сотрудники релятивистского коллайдера тяжёлых ионов (RHIC), обнаружившие, что эта субстанция ближе по свойствам к жидкости, чем к газу. Они воспроизвели вторую часть показанного здесь процесса:

В 2005 году там же удалось получить кварк-глюонную плазму, сталкивая атомы золота на субсветовой скорости. При этом была достигнута температура до 4 триллионов градусов, а диаметр пузырька кварк-глюонной плазмы составил около 10^-13 см, то есть, был сопоставим с диаметром новорождённой Вселенной в ту эпоху, когда в ней доминировало сильное взаимодействие и начали образовываться протоны и нейтроны. Свойства идеальной жидкости приписываются кварк-глюонной плазме, исходя из того азимутального угла, под которым из неё вылетают новорождённые частицы. Впоследствии кварк-глюонная плазма должна была возникать и на большом адронном коллайдере (LHC), так как на этом ускорителе достигаются более высокие температуры, чем на RHIC.

Характерное физическое явление, наблюдаемое только в кварк-глюонной плазме, называется «jet quenching», что можно перевести на русский как «гашение струй». Вот как схематически выглядит этот процесс:

Воспроизвести данное явление за пределами кварк-глюонной плазмы, по-видимому, невозможно (ни одна жидкость не обладает нужной для этого текучестью). Проходя через кварк-глюонную плазму, высокоэнергетический кварк или глюон теряют энергию подобно торпеде, проходящей через воду. Поэтому на детекторе наблюдается значительное ослабевание исходящей струи по сравнению с входящей:

Поскольку такое гашение происходит независимо от направления входящей струи, предполагается, что кварк-глюонная плазма образует скорее «каплю» с однородными свойствами, нежели «дымку» или «взвесь».

Перспективы применения кварк-глюонной плазмы

В настоящее время сложно представить, как кварк-глюонная плазма могла бы использоваться на практике. В природе не существует материалов, из которых можно было бы изготовить сосуд или трубку для такой жидкости, и управлять ею при помощи магнитных полей также едва ли возможно. Кварк-глюонная плазма интересна для понимания возможных механизмов Большого Взрыва и, возможно, для создания искусственных вселенных, а также для более глубокого изучения барионной материи. Также кварк-глюонная плазма может приблизить нас к ответу на вопрос, почему вещества во Вселенной настолько больше, чем антивещества. К настоящему времени изучение свойств кварк-глюонной плазмы помогло уточнить, каков вклад отдельных кварков в спин протона, предположить, какие свойства может иметь материя в недрах нейтронных звёзд. Возможно, получив кварк-глюонную плазму в макроскопических количествах, мы сможем освоить деконфайнмент (выделение свободных кварков из адронов) и получить субадронное вещество, которое может послужить источником огромной энергии. Наконец, можно представить себе сборку элементарных частиц с заданными свойствами, которые контролируемо «выпаривались» бы или «осаждались» из кварк-глюонной плазмы, либо искусственное увеличение срока жизни отдельных странных частиц путём их тонкой модификации на основе сырья, которым послужила бы кварк-глюонная плазма.