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 нельзя.
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.
У кварков ненулевой "коэффициент вязкости" в хиггсовском конденсате, а также есть цветовой заряд, благодаря которому они "цепляются" за глюонный конденсат. Поэтому их 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 — смогли обнаружить 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 лаборатории 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.
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.
Окно в новую физику
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.
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.
"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.
По информации https://ria.ru/science/20180803/1525805011.html
