5. Брукхейвенский эксперимент

 

В 1999 году в Брукхейвене (США) начались эксперименты в одном из двух колец релятивистского ионного коллайдера RHIC (Relativistic Heavy-Ion Collider) – ускорителя, на котором сталкиваются встречные пучки тяжелых ионов золота. После испытания систем ускорения пучка установка была подготовлена к экспериментам по получению кварк-глюонной плазмы (КГП) – состояния вещества, в котором оно, по современным представлениям, находилось в первые мгновения после рождения Вселенной. В ноябре 1999 года началась программа научных исследований на RHIC. Эта новость вызвала неоднозначную реакцию в мировом сообществе физиков. В печати и в Интернете развернулась оживленная дискуссия о возможных последствиях эксперимента.

Научный редактор «Санди Таймс» Джонатан Лик выразил озабоченность, связанную с потенциальной опасностью уничтожения планеты Земля искусственным «Большим Взрывом». Дж.Лик пишет о том, что Дж.Марбурген, директор Брукхейвенской лаборатории, поручил комитету физиков исследовать возможность катастрофического бедствия при реализации этого проекта. В его обращении к другим физикам указывается, что на этой, самой мощной из существующих в мире, установке есть определенный риск порождения нового типа материи, состоящей из «странных» кварков (s-кварков). Комитет оценил возможность возникновения катастрофической ситуации в процессе эксперимента – неконтролируемой реакции превращения материи в новое состояние. Была также обсуждена альтернатива, впрочем, весьма маловероятная, получения во время эксперимента таких высоких плотностей материи, при которых произойдет образование «черной дыры» со столь интенсивным гравитационным полем, что станет возможным разрушение всей нашей планеты.

Директор Центра теоретической физики в Массачусетском технологическом институте профессор Р.Джаффе, член Комитета по анализу последствий этого эксперимента, сообщил, что риск полностью не исключен, хотя и весьма маловероятен. Он сказал: «Существует опасение, что чужеродная материя есть на субатомном уровне или поблизости. Риск достаточно мал, но возможность того, что случится нечто необычное, не равна нулю».

К концу 2000 года на данной установке был получен лишь пучок заряженных частиц в кольце ускорителя, пока без попытки его столкновения со встречным пучком. Внутри коллайдера с атомов золота вначале «обдираются» внешние электроны, образующиеся при этом ионы золота затем должны ускоряться в двух кольцах с периметром 2.4 мили. Траектории частиц, приобретающих в результате ускорения скорость, равную 99.9% скорости света, стабилизируются мощными сверхпроводящими магнитами. Ионы в двух кольцах движутся во встречных направлениях, что увеличивает энергию их столкновения. В области столкновения пучков, как предполагают расчеты, должна образоваться сверхплотная материя с температурой примерно в триллион градусов. Такое состояние материи существовало лишь в момент возникновения Вселенной в окрестности «Большого Взрыва», который, как полагают ученые, произошел 12-15 млрд. лет тому назад.

При таких параметрах эксперимента ядра атомов «плавятся», и образуется плазма из кварков и глюонов (КГП). В процессе охлаждения КГП испускает другие частицы, среди которых могут оказаться и «странные» кварки. В других экспериментах они уже неоднократно регистрировались, однако всегда в связанном состоянии с другими кварками. Параметры коллайдера RHIC делают возможным рождение уединенных «странных» кварков, что в естественных условиях характерно лишь для первых моментов существования Вселенной.

На коллайдере планируется ускорить ионы золота до энергии 100 ГэВ на нуклон. Предполагается, что при столкновении двух ядер золота при энергии 200 ГэВ на нуклон в системе центра масс будут достигнуты такие температура и плотность вещества, при которых обычная ядерная материя трансформируется в КГП. В современной Вселенной КГП возникает либо в экзотических астрофизических объектах, либо искусственно создается в лабораториях при помощи ускорителей сверхвысоких энергий.

Рассмотрим теперь подробнее, о чем же говорится в приведенном выше пересказе небольшой заметки в Интернете, которая для многих жителей Земли явилась настоящим потрясением.

В ходе эксперимента на коллайдере в Брукхейвене при соударении встречных пучков тяжелых ионов с энергией 100 ГэВ на нуклон рождается достаточно много частиц (их число достигает нескольких тысяч). Естественно, образуется система, макроскопическая по меркам микромира, которую можно рассматривать как сгусток адронной плазмы. Появились опасения, что эволюция этого сгустка плазмы может привести к катастрофическим последствиям не только для самих экспериментаторов, но и для всей Земли, и даже Вселенной в целом. В основном все эти опасения являются лишь «страшилкой», опубликованной в Интернете, и потому ставшей достаточно хорошо известной не только специалистам-физикам, но и остальному населению Земли. Дело в том, что изложение подобных «ужасов» в средствах массовой информации производится в терминах, якобы понятных широкой общественности. Многие люди слышали о существовании таких объектов, как «черные дыры», однако плохо себе представляют, каковы свойства этих объектов и условия их возникновения на самом деле. По большому счету в данном эксперименте ничего страшного произойти не может, для науки же результаты эксперимента, несомненно, будут крайне полезны.

Попытаемся объяснить, что на самом деле будет происходить в процессе эксперимента в Брукхейвене. Главное предназначение эксперимента – изучение внутренней структуры физического вакуума! Принципиальное значение этого проекта заключается в том, что в ходе его реализации предполагается осуществить перестройку вакуума в масштабах, превышающих на 3-4 порядка объем нуклона. Для мира элементарных частиц это уже фактически макроскопические масштабы, поэтому и можно говорить о макроскопичности области перестройки вакуума.

Выше уже говорилось о происхождении и взаимосвязи трех, известных на сегодняшний день, вакуумных подсистемах. Одна из задач Брукхейвенского эксперимента – исследовать динамические явления во второй вакуумной подсистеме, в кварк-глюонном конденсате. Добавим, что и третья подсистема – ХК – может быть перестроена за счет взаимодействия с ней большого числа частиц высокой энергии, сконцентрированных в ограниченной области пространства. Процесс при этом происходит в самосогласованном режиме – изменяется не только хиггсовский конденсат, но и порождаемые взаимодействием с ним массы частиц. То есть если собирать вместе большое число частиц, образуя из них плазму, то в результате взаимодействия частиц с ХК изменятся их массы, они станут не такими, какими были в состоянии разреженного «газа» частиц. Перестройка ХК, впрочем, дело далекого будущего, поскольку для этого требуется создать плазму частиц с очень высокой температурой – порядка 100 ГэВ. В Брукхейвенском эксперименте, где предполагается перестраивать вторую вакуумную подсистему достаточно получить плазму с существенно более низкими температурами. Теория предсказывает, что для перестройки КГК нужна температура (и, соответственно, энергия) плазмы в 1000 раз меньшая, чем для перестройки ХК, а именно – 100 МэВ. В предстоящем эксперименте такую плазму и предполагается создать.

Кварк-глюонная плазма (КГП) представляет собой систему реальных кварков и глюонов, двигающихся в макроскопической области пространства с перестроенной вакуумной дионной структурой. Выше уже говорилось о том, что дионы способны образовывать комплексы со скомпенсированными хромоэлектрическими зарядами. Когда изменение дионной структуры происходит на масштабах 10^-13 см и стабилизируется несколькими валентными кварками, образуются барионы или мезоны, если же такая перестройка происходит в макроскопических масштабах и стабилизируется большим числом кварков, рождается сгусток КГП. При повышении плотности кварков и глюонов дальнейший рост температуры приведет к систематическому разрушению дионных конфигураций и уменьшению плотности дионов. Это будет означать, что вакуумная компонента системы стремится приобрести свойства, характерные для пустоты. Но ни о какой пустоте не может идти речь, поскольку сама тенденция разрушения вакуумных структур возникает лишь тогда, когда в этой области пространства имеется большое число частиц. То есть можно говорить лишь о перестройке целостной системы, содержащей вакуумную и плазменную компоненты. При низких температурах реальный мир представляет собой дионную жидкость, при высоких температурах ее сменяет КГП. Но в любом случае имеет место «разлитая» в пространстве-времени среда с определенными свойствами. Оказывается, что область абсолютной пустоты в классическом понимании создать невозможно!

Для понимания дальнейшего полезно обратить внимание на аналогию между вакуумными структурами и структурами, возникающими в конденсированных средах. Известно, что один и тот же набор атомов может порождать различные модификации вещества. В физике конденсированных сред установлено, что одна из этих модификаций абсолютно стабильна, а другие могут быть или нестабильны, или метастабильны. В физике кварк-глюонного вакуума элементами структуры, вместо атомов, являются дионы. Поэтому уместно поставить вопрос, сколько конфигураций могут иметь дионные комплексы, и есть ли среди них не только стабильные, но и метастабильные.

Катастрофическое развитие процесса эксперимента в Брукхейвене возможно только в том случае, если мы живем не в стабильном, а в метастабильном вакууме. Например, система псевдочастиц (вакуумная система), возникшая в ходе космологической эволюции, попала в метастабильное состояние и пребывает в нем со времен, отнесенных на одну миллионную долю секунды от момента рождения Вселенной – Большого Взрыва. Если это так, тогда действительно в ходе Брукхейвенского эксперимента произойдет катастрофа, поскольку «настоящий» вакуум обладает более низкой энергией, чем метастабильный. Из общих принципов квантовой теории следует, что возникающие при туннелировании флуктуации понижают энергию классического вакуума. В системе псевдочастиц давление прямо пропорционально плотности энергии со знаком минус, . Отсюда следует, что если стабильный вакуум имеет большую по абсолютной величине энергию, то в нем и большее положительное давление. Если в метастабильном вакууме образуется пузырек стабильного вакуума, то, поскольку давление внутри пузырька больше, чем вне его, он будет неограниченно расширяться. Иначе говоря, однажды возникшая область стабильного вакуума начнет расширяться, захватывая всю Вселенную и переводя ее в стабильное состояние.

Если вакуум Вселенной действительно находится в метастабильном состоянии, то почему возникновения пузырька стабильного вакуума можно ожидать в Брукхейвенском эксперименте? Для ответа на этот вопрос рассмотрим последовательность физических явлений. При столкновении двух ускоренных до сверхвысоких энергий тяжелых ионов все протоны, входящие в состав этих ионов, сливаются друг с другом, образуя горячую кварковую среду. При взаимодействии горячей кварк-глюонной плазмы с КГК, последний расплавляется – в области пространства, занимаемой КГП процессы туннелирования и, соответственно, возникновение квантовых флуктуаций подавляются. Точнее говоря, топологически неэквивалентные конфигурации в горячей плазме становятся энергетически невыгодными. Таким образом, конденсат исчезает в горячей плазме. Вакуумная среда при образовании сгустка КГП разрушается и сильно перестраивается. На некоторое время сгусток плазмы, удерживающий вакуум в состоянии с разрушенной дионной структурой, может быть стабилизирован. Но затем этот сгусток КГП расширяется и охлаждается, при этом вновь создаются условия для восстановления дионных структур, т.е. для возникновения КГК.

Катастрофа возникнет, если после релаксации сгустка плазмы, новый кварк-глюонный вакуумный конденсат попадет в стабильное состояние. Итак, процесс выглядит следующим образом: сначала, после столкновения ионов, образовалась кварк-глюонная плазма, но затем, через некоторое время на ее месте возникает пузырь стабильного вакуума. В силу собственных динамических свойств этот пузырь начинает неограниченно расширяться, захватывая и преобразовывая вещество. В результате такой перестройки вакуума вся Вселенная будет разрушена, а на ее месте возникнет новая Вселенная, построенная из частиц с совершенно другими свойствами. При обсуждении возможных свойств новой Вселенной привлекалась и такая экзотическая гипотеза, как стабилизация в ней странных s кварков. В разделе 3 мы говорили о том, что нестабильность странных кварков целиком обязана эффекту смешивания поколений. Само же смешивание, очевидно, определяется свойствами физического вакуума. Поэтому, если уж мы говорим о перестройке вакуума, можно предположить, что в новом вакууме s кварк будет стабилен. В рамках этой гипотезы предполагается, что смешивание кварков повышает энергию вакуума, и вакуум со смешиванием является метастабильным. В стабильном же вакууме смешивание энергетически невыгодно. В перестройке вакуума и радикальном изменении свойств вещества и состоит суть «устрашающего» сценария протекания процесса эксперимента в Брукхейвене.

Запрещен ли такой сценарий общими соображениями? Конечно, нет. Как отмечалось выше, даже из физики конденсированных сред известно, что в сложной многочастичной структуре возможно существование метастабильных конфигураций из элементов этой структуры с большими временами жизни. В физике кварк-глюонного вакуума метастабильные конфигурации, в принципе, возможны, поскольку не исключено, что основные параметры конфигурации – характерные топологические числа и вероятности нахождения вакуума в различных топологических состояниях – могут изменяться в некоторых пределах. Именно поэтому общими соображениями нельзя опровергнуть предположение о метастабильности нашего вакуума. Единственное, что нужно предположить – время жизни метастабильного вакуумного состояния много больше возраста Вселенной, которое оценивается в 15 млрд. лет. Тем не менее, такой вариант развития событий нельзя воспринимать всерьез. Причина этого проста: на Земле в составе космических лучей давно регистрируются частицы с максимальными энергиями 10²¹ эВ. При соударении двух таких частиц энергия столкновения была бы гораздо больше, чем на Брукхейвенском коллайдере. За время существования Вселенной такие соударения частиц происходили в ней неоднократно, «ужасная» гибель нашей Вселенной могла бы уже произойти не раз, тем не менее, этого не случилось за все миллиарды лет ее жизни. Вероятность катастрофического процесса исчезновения нашего мира в планируемом эксперименте несравнимо меньше вероятности соударений частиц с такими (и даже большими) энергиями во Вселенной. Соударений, которые в ней не раз уже имели место. Так что вероятность существования Вселенной в метастабильном состоянии чрезвычайно мала.

Брукхейвенский эксперимент интересен, прежде всего, тем, что в ходе его проведения вероятность получения области метастабильного вакуума при релаксации КГП заметно отличается от нуля. Такая область перестроенного вакуума, конечно, не будет расширяться, напротив, она будет стремиться схлопнуться. Если этот пузырь захватит достаточно много частиц, то на некоторое время он стабилизируется – давление жидкости частиц, находящихся внутри, скомпенсирует давление внешней «дионной жидкости». Этот объект будет чрезвычайно интересен. Аномальные явления такого типа – возникновение долгоживущих объектов с последующим их распадом, при котором выбрасывается большое число частиц, регистрировались в экспериментальной физике космических лучей. Но таких объектов за все время наблюдения за космическими лучами зарегистрировано всего менее десяти. Какие же необычные свойства можно ожидать у подобного объекта? В частности, можно ожидать и изменения свойств «странных» кварков, но, в противоположность «устрашающему» сценарию, мы должны понимать, что на самом деле эффект смешивания приводит к энергетически выгодному вакуумному состоянию. Отсутствие же смешивания характерно именно для метастабильного вакуума. Возможно, это и будет наблюдаться в данном эксперименте. Но каким же образом фиксируется такое метастабильное состояние? Ясно, однако, что проблема смешивания поколений тесно увязана с проблемой их происхождения. А вот разобраться с последней проблемой уже не так просто – информации о существовании только КГК и ХК для решения этой проблемы недостаточно, должны быть проявления и каких то других вакуумных структур.

Самое главное состоит в том, что в описанном выше эксперименте структура кварк-глюонного вакуума будет изменяться в реальном времени, контролируемом по часам в лаборатории. Выше, однако, уже отмечалось, что квантовая динамика вакуума в реальном времени – одна из самых актуальных проблем современной теоретической физики, решение которой откроет перед наукой новые горизонты.

Экспериментами типа Брукхейвенского начинается первый этап исследования вакуума, имеющего, несомненно, еще более сложное строение, чем это представляется на сегодняшний день. Сейчас о внутреннем устройстве вакуума мы знаем не больше, чем о внутренней структуре вещества во времена зарождения молекулярно-кинетической теории. С одной стороны, нам известна реальность этого объекта, факт существования у него внутренней структуры, а с другой стороны – у нас нет методов описания пространственно-временной динамики этой структуры. Вывод очевиден: сегодня мы стоим на пороге новой физической теории.

В утверждении, что во время Брукхейвенского эксперимента будет воспроизводиться ситуация Большого Взрыва, есть, однако, некоторое преувеличение. С точки зрения космологии зарождение Вселенной, формирование основных ее макроскопических свойств, происходят при энергиях порядка 10¹⁶-10¹⁹ ГэВ. Теории, описывающей процесс Большого Взрыва, мы не имеем. Но процесс эволюции Вселенной после ее образования хорошо описывается известной физической теорией. Состояние Большого Взрыва достигается за времена порядка 10^-35 секунд от начала Мира. Современные проблемы космологии подробно обсуждаются во второй и третьей частях книги. В Брукхейвенском эксперименте исследуется плазма с температурой всего около 100 МэВ, в космологии такая плазма возникает через 10^-6 секунд от начала Мира. Роль каждого промежутка времени определяется количеством произошедших за это время событий. Можно без преувеличения утверждать, что с начала Мира до 10^-35 секунд произошло намного больше событий, чем от 10^-35 секунд до нашего времени. Ясно, что явления в плазме, существовавшей во Вселенной на момент времени 10^-6 секунд, не имеют непосредственного отношения к проблеме Большого Взрыва. Окрестность большого Взрыва должна рассматриваться в теориях гораздо более широких, чем СМ. К рассказу об этих теориях мы сейчас и переходим.