Что такое кварковая материя
Колыбель для страпельки
Как известно, из-за продолжающейся эпидемии затягивается ремонт и откладывается запуск Большого Адронного Коллайдера. Еще не так давно, в середине 2010-х, работа этого грандиозного ускорителя частиц позволившего в 2012 году обнаружить бозон Хиггса и достроить Стандартную модель, могла сравниться по масштабу только с открытием гравитационных волн. Два этих события настолько органично дополняли друг друга и отмечали как один из последних кирпичиков в здании Старой Физики, так и один из первых в основании Новой, что почти незаметным осталось одно экзотическое звено, связывающее эти открытия. Это звено – таинственная странная материя, возможное существование которой обсуждалось еще в 1980-е. Возникновение мельчайших частиц подобной материи (страпелек, о которых мы здесь еще поговорим) было серьезным поводом для беспокойства еще на этапе конструкции БАК. Кроме того, коллаборация LIGO, впервые зафиксировавшая гравитационные волны при столкновении двух черных дыр, также открыла и события другого рода: столкновения нейтронных звезд и столкновение черной дыры с нейтронной звездой с поглощением последней. Именно при таких столкновениях нейтронные звезды заметно деформировались. Это и позволяет предположить, что на самом деле нейтронные звезды не однородны, а имеют слоистую структуру, как, впрочем, уже предполагалось ранее. Вещество, находящееся внутри нейтронных звезд, не может быть похоже ни на один материал, известный нам из повседневного опыта. Согласно традиционной точке зрения, нейтронная звезда представляет собой буквально «огарок» от обычной звезды, «при жизни» сравнимой по массе с Солнцем. Поскольку такая звезда должна состоять не из атомов, а из максимально плотно прилегающих друг к другу нейтронов, предполагается, что это и есть максимально плотное вещество во Вселенной, «чайная ложка которого весит как гора Эверест». Но именно факт сжатия двух нейтронных звезд при столкновении дал новый толчок к исследованию странной материи.
Нейтронные звезды
Привычная нам материя состоит из нуклонов — атомных ядер с различной массой, зависящей от количества протонов и нейтронов в ядре. Протоны и нейтроны (нуклоны) удерживаются в компактном виде благодаря сильному ядерному взаимодействию. Это же взаимодействие, сохраняющееся в масштабах атомного ядра, отвечает за целостность самих нуклонов. Нуклоны состоят из кварков и глюонов – элементарных частиц, близких по природе к электронам (и кварки, и электроны относятся к классу фермионов). Тем не менее, в свободном виде, вне нуклонов, кварки в привычных нам условиях не встречаются, и это принципиальный момент. Получить свободный кварк в лаборатории невозможно, как невозможно получить магнит с одним полюсом. Явление неразрывной связи между кварками, проиллюстрированное ниже, называется «конфайнмент» (дословно: «удержание» или «невылетание»).
Считается, что нейтронные звезды состоят из одних нейтронов именно в силу действия гравитации: сплющивающиеся атомы теряют электроны, затем протоны превращаются в нейтроны. В результате получается звезда размером с город (книга Сергея Попова с аналогичным подзаголовком – один из наиболее интересных русскоязычных текстов о нейтронных звездах). Первыми из нейтронных звезд были открыты пульсары – это звезды, испускающие периодические импульсы в радиодиапазоне. Впервые пульсары были обнаружены в 1967 году и даже приняты за источники радиосигналов внеземного происхождения.
Но также не исключено, что при колоссальных давлениях внутри нейтронной звезды материя продолжает видоизменяться и далее, и отдельные кварки, отцепившись от нейтронов, могут существовать в свободном состоянии. Такая субстанция называется «кварк-глюонная плазма» или «кварковый суп». В 2018 году капельки кварк-глюонной плазмы впервые удалось получить экспериментально. Предполагается, что она могла существовать в первые миллисекунды после Большого Взрыва, а также, что такая материя может образовываться при столкновениях нейтронных звезд.
Коллайдер и страпелька
Напомню, что слово «коллайдер» происходит от английского слова «collide» со значением «сталкиваться». Действительно, этот ускоритель частиц рождает новые частицы, получающиеся при столкновениях других элементарных частиц. Экзотичность этих частиц и (в принципе) материи, образующейся в коллайдере, теоретически не ограничена ничем кроме энергии столкновения (измеряется в гигаэлектронвольтах, ГэВ) – а свойства этой материи могут быть разнообразными вплоть до непредсказуемости.
Еще в 2008 году вышел обширный научный отчет под названием «Review of the safety of LHC collisions» (Обзор факторов, связанных с опасностью столкновений в БАК). В этом документе рассмотрено, чем столкновения частиц в коллайдере отличаются от взаимодействий частиц в космических лучах, и, в частности, почему в подобном ускорителе не должны возникать макроскопические черные дыры и страпельки.
Страпелька — объект до сих пор не обнаруженный, но настолько интересный и потенциально фатальный, что здесь я расскажу о нем подробнее. Страпелька – это образец «странной материи», микросгусток вещества, состоящего из странных кварков. Термин происходит от английского «strangelet» (strange + droplet, «странный + капля»), и в русскоязычной литературе, в частности, в этой работе С. Б. Шаулова, до сих пор встречается перевод «странглет». Тем не менее, к настоящему времени больше прижился перевод «страпелька» (странная + капелька), придуманный в 2005 году астрофизиком Сергеем Поповым.
Вот как рассказано о странной материи в рассматриваемом источнике:
Обычная материя, из которой состоим мы, а также все наблюдаемые объекты во Вселенной, слагается из двух самых легких видов кварков – верхних (up) и нижних (down). Более тяжелые и нестабильные кварки были открыты при столкновениях частиц в космических лучах, а также в ускорителях частиц, причем, самый легкий кварк из этой второй категории называется странным (strange). Частицы, содержащие странные кварки, синтезируются в лабораториях уже не одно десятилетие. Такие частицы распадаются за время порядка наносекунд или менее. Столь малые сроки жизни обусловлены слабым взаимодействием, также лежащим в основе явления радиоактивности. Также удавалось наблюдать нестабильные частицы, содержащие два или три странных кварка. Было продемонстрировано, что частицы, содержащие один странный кварк, могут связываться с обычной материей, образуя так называемые «гипероны», которые, опять же, распадаются в пределах нескольких наносекунд.
Таким образом, странная квантовая материя – гипотетическое состояние вещества, в котором количество верхних, нижних и странных кварков примерно равно. Гипотетические микросгустки, состоящие только из странных кварков и имеющие массы, сравнимые с массой нуклонов, принято называть «страпельками» («странными капельками»). Если страпельки и существуют, то сроки их жизни, вероятно, также не превышают порядка наносекунды.
Чрезвычайная опасность страпельки заключается в том, что, вступив в контакт с обычной материей, она может спровоцировать превращение всех окружающих ее кварков в странные и, соответственно, лавинообразный переход всей материи в странную. Таким образом, страпелька напоминала бы воннегутовский лед-девять.
К настоящему времени никаких доказательств существования страпельки не зафиксировано. Страпельки не удалось найти в лунном грунте, где они могли бы присутствовать в следовых количествах как результат бомбардировки космическими лучами. В принципе предполагается, что страпельку можно получить слиянием гиперонов или дистилляцией кварк-глюонной плазмы.
Существует объективный способ дистанционно отличить подлинно странную звезду от нейтронной. Согласно теоретическому сравнению свойств нейтронных и странных звезд, которое систематизировано в таблице 1 здесь, энергия на барион у нейтронной звезды должна составлять более 930 МэВ, а у странной звезды быть примерно равной или меньшей 930 МэВ. Таким образом, если в ядре звезды началось спонтанное превращение обычной материи в странную, эта звезда должна постепенно остывать и казаться холодной на фоне аналогичных звезд (в частности, пульсаров). Остывание звезды должно происходить в том числе и потому, что энергия тратится на преобразование материи из обычной в странную.
На этой иллюстрации приведены тепловые карты трех типичных пульсаров (сверху) и пульсара 3C58 (снизу). Его расчетная температура должна составлять около 1,5 млн градусов Цельсия, но не дотягивает и до 1 млн. Такая аномалия может объясняться образованием странной материи в недрах 3C58.
Заряд и стабильность странной материи
Катастрофические эффекты, связанные с неограниченным ростом страпельки, могут возникать именно при отрицательном заряде страпельки, поскольку в таком случае она начала бы поглощать положительно заряженные протоны. Но, поскольку наиболее вероятно, что страпелька заряжена положительно, а странная звезда – отрицательно, реалистичным представляется следующий сценарий: превращению ядерной материи в кварковую препятствует кулоновский барьер электрона, равный 9 МэВ и достаточный, чтобы положительно заряженная страпелька не вошла в контакт с обычной материей. Именно в недрах нейтронных звезд это ограничение не действует, так как там отсутствуют электроны, и условия (среда, состоящая из нейтронов + огромное давление) располагают к переходу обычной материи в кварковый суп и далее в странную материю по мере накопления в ней странных кварков.
Заключение
Завершая эту статью, отмечу, что совсем недавно (2019-2020 годы) было доказано, что обычная материя активно взаимодействует со странной, то есть, в лабораторных условиях можно получать не только гипероны, но и гибридные ядра, в состав которых входят протоны, нейтроны и гиперон. В 2012 году был обнаружен гиперводород, теоретически предсказанный в 1964 году. Ядро этого элемента состоит из четырех нейтронов, одного протона и лямбда-гиперона. Также были получены ядра гипертритона – модифицированного трития. В таком ядре вместо протона и трех нейтронов содержится протон, два нейтрона и лямбда-гиперон. Возможно, ядерные реакции именно такого рода осуществимы между обычными ядрами и материей из недр нейтронной звезды. Таким образом, остается вероятность, что удастся не только обнаружить, но и искусственно получить, и безопасно исследовать материю, состоящую только из странных кварков – а затем сделать выводы о том, что именно происходит внутри нейтронных звезд, и почему остывают пульсары.
Кварковые звезды: что это и откуда они появляются
Когда сверхновая звезда взрывается, от нее остается либо черная дыра, либо чрезвычайно плотная нейтронная звезда. Однако не все так просто. Расчеты показывают, что существует и третий вариант: «кварковая звезда», еще плотнее нейтронной, но недостаточно плотная, чтобы «схлопнуться» в черную дыру. Гипотезу о существовании кварковых звёзд впервые предложили Дмитрий Дмитриевич Иваненко и Дмитрий Федорович Курдгелаидзе в 1965 году.
Хорошая иллюстрация того, что такое кварки. Атом состоит из протонов и нейтронов, а те в свою очередь – из кварков
Что такое кварковые звезды и как они появляются?
Ранее считалось, что у гибнущей звезды достаточно крупной массы есть только два пути: либо “схлопнутся” в нейтронную звезды – маленькую, но очень тяжелую, либо “схлопнутся” ещё больше и превратится в черную дыру.
Так вот, выяснилось, что в этом процессе что-то может пойти не так. Предполагается, что внутри некоторых нейтронных звезд, буквально балансирующих на границе верхнего предел массы (после которого уже происходит “схлопывание” в черную дыру), при экстремальных температуре и давлении, элементарные частицы распадаются на кварки, создавая сверхплотную фазу кварковой материи. Предполагается, что при этом также появляются некие равновесные силы препятствующие дальнейшему гравитационному коллапсу звезды.
То есть с виду перед нами все та же нейтронная звезда, а вот на деле – уже нечто иное, со свойствами о которым во многом приходится только гадать. Теоретически такой сценарий представляется вполне правдоподобным, но дело в том, что его невозможно доказать ни наблюдением, ни экспериментально, поскольку экстремальные условия, необходимые для стабилизации кварковой материи, не могут быть созданы ни в какой лаборатории и не наблюдаются непосредственно в природе. Устойчивость кварковой материи, а следовательно, и существование кварковых звезд, по этим причинам относится к числу нерешенных проблем физики.
Где могут образовываться кварковые звезды? Очевидно, что наиболее вероятным местом для нахождения материи кварковых звезд, были бы внутренности нейтронной звезды, причем не любой вообще, а той, внутреннее давление которой настолько велико, что элементарные частицы будут распадаться на кварки. В принципе, тех же условий можно достичь и при обычном взрыве сверхновой определенного размера – звезда должна быть достаточно большой, чтобы превратится в нейтронную, но все же недостаточно большой, чтобы образовать черную дыру.
Кварковые звезды должны быть практически неотличимы от обычных нейтронных по всем параметрам, кроме излучения. Так как элементарные частицы в таких звездах уже распались на составные элементы, то и сами кварковые звезды не должны иметь свойств присущих элементарным частицам – т.е., к примеру, они могут иметь крайне слабое радиоизлучение, существенно меньшее электромагнитное поле или температуру поверхности по сравнению с нейтронными звездами.
Различие в строении нейтронной звезды и кварковой звезды.
Странные звезды и странная материя
Что вообще представляет собой гипотетическая “кварковая звезда”? Начнем издалека. Кварк – это фундаментальная частица в Стандартной модели из физики элементарных частиц. Если протон – одна из трех элементарных частиц (протон, нейтрон и электрон), то кварк – часть протона. Сами по себе кварки не наблюдаются и вообще, дать понятию “кварк” простое определение – не получится.
Но, существуют ещё и так называемые “странные кварки” (s-кварк) – третий и самый легкий из всех кварков, тип элементарной частицы. Странные кварки встречаются в субатомных частицах, называемых адронами. Почему они “странные”? Потому что в отличие от “нормальных” кварков u- и d- типов, s-кварки имеют значение квантового числа (изоспина) равное 0. И это… странно, во всяком случае с точки зрения физики элементарных частиц.
Так вот, если странных кварков собирается много, то имеет смысл говорить об “странной материи“, или точнее “странной кварковой материи”. В природе предполагается, что странная материя возникает в ядре нейтронных звезд, в виде отдельных сгустков, которые могут варьироваться по размеру от ничтожных величин до громадных по объему образований. При достаточно высокой плотности странная материя, как ожидается, будет сверхпроводящей и область рядом других удивительных свойств.
И, наконец – если гипотетическая кварковая звезда, будет состоять из странной кварковой материи, то такую звезду имеет смысл называть “странной звездой“, являющуюся отдельным подвидом кварковых звезд.
Интересно тут другое – если обычная кварковая материя, состоящая из верхних и нижних кварков (u- и d-кварков), обладает очень высокой энергией Ферми по сравнению с обычной атомной материей и стабильна только при экстремальных температурах и/или давлениях (т.е. единственными стабильными кварковыми звездами будут нейтронные звезды с ядром из кварковой материи, в то время как кварковые звезды, полностью состоящие из обычной кварковой материи, будут крайне нестабильны и самопроизвольно растворяться), то при большом количестве s-кварков, высокая энергия Ферми, может быть существенно снижена.
Таким образом, теоретически, “первобытные” кварковые звезды рожденные в начале космического фазового разделения случившегося сразу после Большого Взрыва, могут существовать вплоть до наших дней.
Нейтронные и кварковые звезды имеют сходные характеристики, поэтому гарантировано подтвердить наличие или отсутствие во вселенной кварковых звезд, наука пока не может
Зачем искать кварковые звезды?
Считается, что исследование кварковых звезд может пролить свет на процессы, проходившие во Вселенной вскоре после Большого Взрыва, ведь тогда вся она была заполнена именно такой кварковой материей, вдобавок еще и перегретой до триллионов градусов. К сожалению, до сих пор ни один факт наблюдения за подобными объектами не нашел достоверного подтверждения.
Группа китайских ученых во главе с Квон-Сан Ченом (Kwong-Sang Cheng) привели результаты собственного исследования сверхновой SN 1987A, одной из самых близких к нам.
Известно, что если такой процесс сопровождается образованием нейтронной звезды, то он сопровождается единичным сильным выбросом частиц-нейтрино. Однако наблюдая за SN 1987A с помощью сразу двух детекторов нейтрино в Японии и США (Kamiokande II и Irvine-Michigan-Brookhaven), астрономы установили, что выбросов было сразу два, разделенных заметным промежутком времени. Это, по мнению Чена и его коллег, может быть связано с двухступенчатым процессом коллапса сверхновой: сперва в нейтронную звезду, а затем – в кварковую.
«Такая модель вполне обоснованна и интересна, – говорит другой китайский физик Йон-Фен Хуань (Yong-Feng Huang), – она объясняет много важных характеристик сверхновой SN 1987A, и надеюсь, окажется верной».
Впрочем, последнее слово должны сказать новые рентгеновские орбитальные телескопы, которые готовятся к запуску через несколько лет: расчеты показывают, что именно на этих длинах волн нейтронные и кварковые звезды должны выглядеть совсем по-разному. Однако, имеющиеся аппараты не обладают достаточной мощностью для подобных исследований.
По состоянию на 2015 год существование кварковых звёзд считается недоказанным.
«Хорошо, что кварки связаны». Ученые рассказали о субатомном оружии
МОСКВА, 3 авг — РИА Новости, Татьяна Пичугина. 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).
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.
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.
«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.