Как сварить бульон из кварков в ядре нейтронной звезды
Физики собираются смоделировать процессы, происходящие внутри нейтронной звезды, чтобы изучить состояние Вселенной в первые микросекунды после Большого взрыва, когда из кварков рождались протоны и нейтроны. Об уникальном эксперименте, который начнется через пару лет на коллайдере NICA в Дубне, - в материале РИА Новости.
Микроавтобус с улицы Векслера сворачивает на Флерова, пересекает Франка и по Жолио-Кюри подкатывает к КПП. Военный проверяет документы, пристально вглядываясь в окна, пересчитывает пассажиров и только после этого разрешает открыть автоматические ворота. Иначе на территорию Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) не попасть. Это режимный объект, где нарабатывают радиоактивные изотопы, проводят исследования на ядерном реакторе, ускорителях.
Институт основан 62 года назад как международный научный центр, перед которым поставили пионерские по тем временам задачи - раскрыть тайны материи и образующих ее элементарных частиц. Ученые не только ответили на фундаментальные вопросы о мироздании, но и расширили периодическую таблицу, добавив туда несколько сверхтяжелых элементов.
"Занимаюсь на труде синхрофазотроном"
В 2016 году в ОИЯИ развернуто масштабное строительство установки класса мегасайенс - коллайдера NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility). Его часто сравнивают с Большим адронным коллайдером (БАК) в ЦЕРН. Между тем у дубнинского ускорителя другие цели. Он ориентирован не только на протоны, но и на тяжелые ионы, такие как ядра золота, железа, свинца. Их собираются разогнать до энергий 11 гигаэлектрон вольт (ГэВ) на нуклон в системе центра масс, это создаст избыточную плотность барионной материи (то есть привычной нам материи, состоящей из протонов, нейтронов) и позволит ученым понять природу различия вещества и антивещества. На БАК это невозможно.
NICA представляет собой каскад ускорителей. С линейного ускорителя пучок тяжелых ионов направится в бустер - кольцевой ускоритель на сверхпроводящих магнитах.
Бустер готов на 90%. Его монтируют прямо в кольце старого синхрофазотрона, запущенного еще в 1957 году. На этой установке впервые в Европе достигли энергии столкновения 10 ГэВ/нуклон, что положило начало эре ускорительной техники во всем мире. Физики решили сохранить здание синхрофазотрона как памятник науки. Оставят и железный тоннель ("ярмо", как говорят физики) диаметром порядка 220 метров и весом около 36 тонн. Если эту махину разобрать, здание может "поплыть" - "ярмо" его стабилизирует.
Из бустера пучок поступит в нуклотрон - еще один сверхпроводящий ускоритель. Его запустили четверть века назад - 26 марта 1993 года. Сейчас тут проводят 55-й сеанс физических экспериментов. Большая коллаборация, в том числе физики из США, Франции, собирают данные в рамках эксперимента "Барионная материя на нуклотроне". Уже приступили и к реализации научной программы NICA.
"В данный момент ускоряют ядра аргона, затем перейдут на ядра криптона. Их заставляют сталкиваться с различными мишенями и смотрят, при каких условиях совершится фазовый переход", - поясняет журналистам Владимир Кекелидзе, доктор физико-математических наук, директор лаборатории физики высоких энергий имени В. И. Векслера и А. М. Балдина ОИЯИ.
В начале апреля нуклотрон остановят на полтора-два года, чтобы достроить собственно сверхпроводящий коллайдер. Пока готова половина: свайный фундамент, западное полукольцо, здание электронного охлаждения. Возводятся элементы восточного полукольца.
Два встречных пучка ускоренных тяжелых ядер столкнутся в коллайдере в двух точках. Момент столкновения зафиксируют и изучат на многоцелевом детекторе - MPD. Второй детектор - SPD - предназначен для анализа спиновой структуры нуклонов. Здания для обеих экспериментальных установок уже строятся.
Пусконаладочные работы в бустере начнутся в конце этого года, весь комплекс вступит в строй в 2020-м или 2021-м, а на полную мощность он выйдет к 2023 году. NICA - это международный проект, поддерживаемый 18 государствами - членами ОИЯИ. Россия вложит в проект 8,8 миллиарда рублей.
"Гипотез много, но ни одна не проверена"
На установке NICA физики намерены исследовать фазовый переход от кварк-глюонной материи к барионной, что пока не удавалось никому в мире. Ученым предстоит из барионной материи извлечь кварки, изучить их состояние и процесс перехода обратно в барионную материю, то есть в протоны и нейтроны, из которых состоят ядра химических элементов.
Протоны и нейтроны (еще их называют нуклонами, отсюда название ускорителя - нуклотрон) состоят из трех кварков. Эти элементарные частицы не существуют в свободном состоянии, поскольку связаны друг с другом очень необычным способом. Если кварки разнести друг от друга на диаметр одного нуклона, то сила взаимного притяжения вырастет почти до бесконечности. Разорвать их в подобной конфигурации практически невозможно. Ученые называют такое взаимодействие сильным. В природе пока не известно что-либо более сильного, чем взаимное притяжение кварков. Энергия, которую мы получаем в ядерном реакторе, - лишь слабые отголоски этих сильных внутринуклонных взаимодействий. Чтобы "отодрать" кварки друг от друга, требуется температура примерно в триллион градусов Цельсия.
Однако если кварки сближать, притяжение слабеет - в соответствии с принципом асимптотической свободы, за теоретическое предсказание которой в 2004 году трое физиков удостоились Нобелевской премии. Этот принцип и собираются применить в Дубне, создав максимальную плотность барионной материи, которая бывает только в недрах нейтронных звезд.
В таких процессах время измеряют даже не мгновениями, а гораздо более мелкими единицами - 3*10 -24 секунды. Тем не менее за эти септиллионые доли секунды кварки вырываются из нуклонов, перемешиваются в кашу, образуя кварк-глюонную материю, и остывают, снова сливаясь в протоны и нейтроны.
"Что там будет происходить, какие открытия нас ждут, какая теория это опишет - никто не знает", - говорит Кекелидзе.
По его словам, в этой области физики очень мало экспериментальных данных, теория работает слабо. Пробел в науке восполнят на установке NICA.
Facebook
Одноклассники
Twitter
Whatsapp
Viber
Telegram
скачать видеоскопировать ссылкуполучить код.
