2000 №3

В лаборатории — десять микросекунд после Большого взрыва

Десятого февраля на специальном семинаре Центра европейских ядерных исследований (ЦЕРН, Женева) были представлены результаты экспериментов, которые без преувеличения можно назвать сенсационными. Получено новое состояние материи, в котором кварки — «истинно элементарные частицы» (из них «собраны», в частности, протоны и нейтроны) — не связаны друг с другом, а перемещаются свободно. Согласно теории, именно в этом состоянии пребывала Вселенная первые 10 микросекунд после Большого взрыва. До сих пор эволюцию материи удавалось проследить не ранее чем до стадии трех минут после взрыва, когда уже сформировались ядра атомов.

Согласно современной теории строения вещества, микрочастицы, называемые адронами, состоят из кварков — бесструктурных частиц размером менее 10^-16 см, представляющих собой предел дробления материи (см. «Наука и жизнь» № 8, 1994 г.). Удерживают кварки вместе силы, возникающие при непрерывном излучении и поглощении ими глюонов (от английского glue — «клей»). Силы эти ведут себя парадоксальным образом: чем ближе расположены кварки, тем они слабее. Внутри протона или нейтрона кварки практически не взаимодействуют, но при попытке «разорвать» частицу силы их связи возрастают в миллионы раз. Поэтому освободить кварки и глюоны можно только затратой колоссальной энергии. Получить ее удалось в ускорителе тяжелых ионов.

Профессор Аучиано Майани, генеральный директор ЦЕРНа, считает, что сравнение результатов, полученных в рамках программы по ускорению тяжелых ионов, дало ясную картину нового состояния материи и подтвердило предсказание теории кварков. Не менее важно, что сделан большой шаг на пути понимания самых ранних этапов эволюции Вселенной. Впервые удалось получить материю, в которой кварки и глюоны не связаны, — кварк-глюонную плазму. Это новое, пятое, состояние вещества (до сих пор были известны твердое, жидкое, газообразное и плазменное, электронно-ионное состояния) открывает обширное поле для научных исследований. Следующий их этап начнется на коллайдерах (ускорителях на встречных пучках) тяжелых релятивистских ионов в Брукхэвене (США) и адронов в ЦЕРНе.

Эксперимент по ускорению тяжелых ионов заключался в следующем. Пучок ионов свинца разгонялся до энергии 33 ТэВ (1 тераэлектронвольт = 10¹² эВ) в суперускорителе протонов (CERN's Super Proton Synchrotron), после чего попадал на мишени, расположенные в семи детекторах. При столкновении температура достигла триллиона градусов (10¹² К, в 100 тысяч раз больше, чем внутри Солнца), а плотность энергии в 20 раз превысила плотность ядерной материи. В этих условиях, как непреложно свидетельствуют экспериментальные данные, материя переходит в новое состояние, имеющее много общего с предсказанной ранее теоретически кварк-глюонной плазмой — «первобытным супчиком», в котором кварки и глюоны существовали по отдельности.

Программа исследований началась в 1994 году, после того как ускорители ЦЕРНа были усовершенствованы при участии ряда институтов Чехии, Франции, Индии, Италии, Германии, Швеции и Швейцарии. Новый источник ионов свинца был присоединен к построенным ранее протонному синхротрону (осуществлявшему предварительный разгон ионов) и суперускорителю протонов. Было проведено семь трудоемких экспериментов по измерению различных параметров столкновений свинец — свинец и свинец — золото (они получили названия NA44, NA45, NA49, NA50, NA52, WA97/NA57 и WA98). Некоторые из них прошли с использованием многоцелевых детекторов, позволивших регистрировать много разных частиц, получать глобальные характеристики событий. В других экспериментах, напротив, детекторы с накоплением сигнала регистрировали только редкие явления. Таким образом, общее представление о кварк-глюонной плазме было получено из отдельных «экспериментальных кусочков», подобно тому как собирают «паззлы» (картины-загадки) или мозаику. Данные каждого отдельного эксперимента не позволяли сделать определенные выводы, но вместе они позволили составить ясную картину явления. Методика, основанная на сопоставлении нескольких различных результатов, оказалась очень успешной.

Осуществленный проект — прекрасный пример сотрудничества и кооперации в области физических исследований. В экспериментах принимали участие физики из более чем двадцати стран, в том числе и российские ядерщики.

Результаты, полученные в ЦЕРНе, — стимул для продолжения работ. Чтобы подтвердить, что новая материя действительно представляет собой кварк-глюонную плазму, необходимо изучить ее свойства при более высоких и более низких температурах. Центром исследований пятого состояния вещества теперь станет коллайдер тяжелых релятивистских ионов Национальной лаборатории Брукхэвена; работы там начнутся уже в этом году. Предполагается исследовать столкновение ядер золота, ускоренных до энергии, в 10 раз большей, чем в женевском эксперименте.

Год назад в американских газетах и научно-популярных журналах появились письма с утверждениями, что планируемый эксперимент опасен. Их авторы считали, что выделение экстремально высокой энергии в очень малом объеме может привести к образованию «черной мини-дыры», которая начнет всасывать в себя окружающую материю. Это мнение получило столь сильный резонанс в прессе и на телевидении, что американские исследователи собрали авторитетную экспертную комиссию для ее проверки. Вывод был однозначным: подобные опасения безосновательны; вероятность образования «дыры» нулевая.

А с 2005 года эксперименты с тяжелыми ионами войдут также в программу большого ускорителя адронов LHC (Large Hadron Collaider) в ЦЕРНе.

А. ШИШЛОВА.