Свободу кваркам? О работе коллайдера NICA — к.ф.-м.н. Анатолий Сидорин из ОИЯИ

В подмосковной Дубне завершается строительство коллайдера NICA, с помощью которого ученые смогут наблюдать, как бесконечно малые частицы — кварки — начнут группироваться и образовывать обычное ядерное вещество. Подобный процесс происходил при несколько других условиях во время рождения Вселенной, а еще похожее состояние может до сих пор существовать в недрах некоторых нейтронных звезд. Подробнее о работе коллайдера и о том, что такое кварк-глюонная плазма, рассказал корреспонденту «Научной России» заместитель начальника ускорительного отделения лаборатории физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) Анатолий Олегович Сидорин.

Справка. Анатолий Олегович Сидорин ― кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой «Информационные и ядерные технологии» Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), заместитель начальника ускорительного отделения лаборатории физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Московская область), автор статей научно-образовательного портала «Большая российская энциклопедия». Выпускник Московского инженерно-физического института (1977–1983). Области научных интересов ― физика и техника ускорителей, охлаждение пучков заряженных частиц, моделирование динамики движения заряженных частиц в электромагнитных полях, вакуумная техника электрофизических установок. Тема кандидатской диссертации А.О. Сидорина в 2003 г. ―  «Формирование интенсивных ионных пучков в накопителях с многооборотной перезарядной инжекцией и электронным охлаждением». Автор более 200 научных работ.

― Ожидается, что с помощью коллайдера NICA можно будет получить кварк-глюонную плазму. Что это за состояние вещества?

― Еще со школьной скамьи нам известно, что окружающее вещество состоит из химических элементов, из атомов. Внутри атомов ― ядра, состоящие из протонов и нейтронов. До 1950-х гг. считалось, что мельче протонов и нейтронов ничего нет, но затем стало известно, что они на самом деле состоят из кварков. Далее начался экспериментальный поиск кварков в свободном состоянии, на что было потрачено очень много усилий, но, увы, успехом дело не увенчалось. В итоге ученые пришли к выводу, что кварки могут существовать, только объединившись в какие-то группы. Но если сжать вещество до очень высокой плотности и разогреть до очень высокой температуры, то кварки могут вести себя как свободные частицы. Взаимодействие между кварками переносят глюоны.

При повышении температуры и плотности образуется плотное и горячее состояние вещества, которое иногда еще образно называют бульоном, где кварки и глюоны ведут себя как свободные частицы.

― Что это значит?

― Это значит, что кварки свободно перемещаются, сталкиваются друг с другом, передают энергию, обмениваются глюонами и при этом на дальних расстояниях не чувствуют потенциала взаимодействия между собой. Такое состояние вещества мы и называем кварк-глюонной плазмой.

― Это гипотетическая субстанция или ее когда-то уже видели?

― А можно ли вообще ее увидеть? Это большой вопрос. Предположим, у нас столкнулись два ядра и в результате образовался некий объект. Мы не знаем, что это за объект, потому что мы никак не можем проникнуть внутрь, и никакой сенсор не может помочь нам синхронизироваться с процессом столкновения частиц. Часть частиц, которые возникают, ― это частицы, не участвующие в сильном взаимодействии; они выносят информацию вовне непосредственно в момент возникновения этого объекта. Дальше он остывает, охлаждается и превращается в привычные для нас частицы.

Мы можем зарегистрировать только те частицы, в которые этот объект превратился. А о том, что в нем происходило первично, мы можем судить лишь по каким-то косвенным признакам. Мы также пытаемся понять эти процессы с помощью различных теоретических моделей.

― В будущем что-то может измениться? Или мы в принципе обречены судить о кварк-глюонной плазме только по косвенным свидетельствам?

― Не берусь предсказывать далекое будущее, но в ближайшее время, думаю, наши эксперименты по-прежнему будут попыткой восстановить эволюцию процесса по конечному результату. Если привести аналогию из спорта, то мы знаем состав команд и конечный счет, а как, собственно, проходил сам матч, нам, к сожалению, неизвестно. Мы можем попытаться реконструировать события по уже известным данным, составу участников и результату матча с помощью уравнений квантовой хромодинамики. Это можно красиво и изящно выразить в одном уравнении, но если попытаться посчитать все это для какого-то реального объекта, то здесь не обойтись без помощи суперкомпьютера, который будет производить подобные расчеты в течение довольно длительного времени и на относительно упрощенных моделях.

― Значит, NICA будет наблюдать не саму кварк-глюонную плазму, а ее следствия?

― Да. Следствия ее эволюции и последующего распада. И по этим следствиям мы будем пытаться восстановить, какая модель правильнее описывает весь процесс.

Никаких сомнений в том, что кварк-глюонная плазма существует, у нас нет, потому что, как я уже говорил, кварки ― реальные частицы и это было экспериментально доказано.

― А для чего нужны именно экспериментальные наблюдения этого состояния вещества? Мы не можем узнать все о нем с помощью компьютерного моделирования, с помощью теории, не затрачивая таких огромных усилий?

― Приведу пример. В современной теории микромира ― так называемой Стандартной модели ― известны все элементарные частицы и переносчики взаимодействия между ними. Их свойства измерены с высокой точностью. Зачем изучать системы, состоящие из этих объектов? Я думаю, если вы когда-нибудь сталкивались с системным анализом, то понимаете, для чего это нужно.

Когда мы собираем объекты, свойства которых известны, в какую-то совокупность, это порождает некое новое свойство, которое не сводится к свойствам основных частей такой системы.

― Изучать экспериментально, чтобы увидеть то, чего нет в теории?

― Да, конечно. Наибольший интерес в экспериментах в данном случае вызывают экзотические комбинации кварков, которые хотя бы некоторое время живут как связанные частицы. Может быть, вы слышали, например, о пентакварках. Это группы составных субатомных частиц, состоящих из пяти кварков. Их существование было доказано с помощью Большого адронного коллайдера в 2015 г.

Благодаря физическим экспериментам мы можем получать экзотические сочетания частиц, которые порождают какие-то новые системные свойства. Это очень интересно как для теоретиков, так и для экспериментаторов.

― Каким образом кварки, намертво связанные между собой глюонами, смогут стать свободными в эксперименте на коллайдере NICA?

― Когда мы пытаемся оторвать друг от друга два кварка при нулевой плотности окружающего вещества, сила взаимодействия между ними увеличивается с увеличением расстояния, и в какой-то момент энергии взаимодействия хватает, чтоб породить пару «кварк — антикварк»: то есть, пытаясь вырвать кварк из протона или нейтрона, мы сталкиваемся с тем, что тут же возникает новая пара «кварк — антикварк» — и образуется мезон (мезоны ― частицы, состоящие из равного числа кварков и антикварков. ― Примеч. ред.).

Но если в малом объеме сконцентрировать очень много кварков и антикварков, то на больших расстояниях они не будут чувствовать друг друга, так как окружающие кварки экранируют их взаимодействие.

― Кварки «забудут», какому нейтрону или протону они принадлежали?

― Именно так. Из-за экранировки цветного заряда плотной средой характер взаимодействия между кварками меняется: энергии взаимодействия на больших расстояниях уже не хватает для образования новой пары из кварка и антикварка.

― Но при этом вытащить и увидеть один отдельный кварк невозможно?

― Невозможно, конечно. Наши исследования как раз отчасти и должны пролить свет на вопрос, а почему же это невозможно, то есть откуда взялась такая сложная необычная форма потенциала взаимодействия между кварками.

― Каким образом впервые удалось экспериментально подтвердить существование кварков?

― Одним из первых экспериментов, подтвердивших существование кварков, был аналог классического эксперимента Резерфорда с рассеянием альфа-частиц на золотой фольге. В 1968 г. в США на двухмильном линейном ускорителе электронов в Стэнфорде «просвечивали» протоны электронами высокой энергии. Ученые обнаружили, что внутри протона есть три точечных рассеивающих центра. Сначала их никак не ассоциировали с кварками, потому что кварковая теория в то время была еще в процессе становления. Получается, что на малых масштабах кварки внутри частиц наблюдаются непосредственно ― как рассеивающие центры. Если мы рассматриваем протон или нейтрон в микроскоп, у которого достаточное разрешение, то видим внутреннюю структуру, и эта структура ― кварки.

― Кварк-глюонную плазму ранее получали на других ускорителях в мире?

― В начале 2000-х гг. в мире было несколько сообщений об открытии кварк-глюонной плазмы. Пожалуй, ближе всего к этому состоянию вещества подошли ученые CERN в эксперименте на выведенных пучках. На ускорителе наблюдалась аномалия порождения определенного сорта частиц, и теоретики сделали вывод о том, что была получена кварк-глюонная плазма. Последующие установки развивались по пути увеличения энергии столкновения и температуры объекта.

― Чем NICA будет принципиально отличаться от этих установок?

― Бо́льшая часть бюджета CERN расходуется на Большой адронный коллайдер, и это одна из основных проблем ― по сути, это лаборатория одной установки. Для решения этой проблемы в CERN действует программа диверсификации научных исследований: ученые проводят много интересных экспериментов по разным направлениям, например по генерации антиводорода, по изучению кварк-глюонной плазмы на выведенном пучке и т.д. Детектор, на котором в CERN проводят эксперименты по кварк-глюонной плазме, относительно старый, и он способен регистрировать примерно 100 событий в секунду. Строительство более современного детектора стоит больших денег.

NICA будет сталкивать те же самые ядра и работать в том же диапазоне энергий, что и в CERN, но регистрироваться будут 7 тыс. событий в секунду. 

― Что даст такая разница?

― Разница в 70 раз очень существенна: то, что в CERN делают за 70 лет, мы сделаем за год. То, над чем они работали в течение 20 лет, мы сможем повторить за месяц. Ведь на чем построена наука? Любое исследование должно быть повторено в нескольких лабораториях и при разной постановке эксперимента. Нашей задачей станет не только повторение эксперимента наших коллег, но и накопление собственного опыта, получение новых фундаментальных знаний за более короткий срок.

― Представим, что вы получили кварк-глюонную плазму. На сколько мгновений вы сможете ее удержать? Что будет происходить дальше?

― Ее никто не удерживает ― она живет по своим собственным законам. Только что появившись, кварк-глюонная плазма сразу же начнет эволюционировать. В таких случаях теоретики рисуют на диаграмме состояний сильновзаимодействующей материи начальную точку, где столкнувшиеся ядра начинают проникать друг в друга. Плотность и температура при этом растeт. Точка на графике идет вверх по давлению, плотности и температуре. Дальше, как только два ядра слились и образовали цельный объект, начинается процесс его расширения и охлаждения, то есть уменьшения плотности и температуры. Точка, представляющая объект, описывает некую кривую на фазовой диаграмме и пересекает несколько областей. Эта кривая начинается из области обычных частиц, дальше происходит фазовый переход, образуется либо смешанная фаза, либо кварк-глюонная материя. Затем, согласно теории, в процессе остывания происходит еще несколько фазовых переходов. И после этого кварк-глюонная плазма возвращается в состояние обычного вещества ― адронного газа. Вся эта эволюция крайне сложна и скрыта от глаз экспериментаторов, ее могут описать только теоретики. Но просчитать реальный процесс эволюции кварк-глюнной плазмы, исходя из начальных условий, без каких-то приближений — практически неподъемная задача.

― Кварк-глюонная плазма, полученная на коллайдере NICA, действительно позволит заглянуть в самое далекое прошлое нашей Вселенной, в первые мгновения после Большого взрыва?

― Есть разные точки зрения, я пока не берусь строить прогнозы на этот счет. С тем же вопросом, который вы мне задаете, я сам, будучи экспериментатором, обращался к большим теоретикам, в том числе, например, к Валерию Анатольевичу Рубакову. Он ответил утвердительно. Поэтому, ссылаясь на его авторитет, могу ответить так же. Кстати, состояния, близкие к ранней Вселенной, уже воспроизводятся на Большом адронном коллайдере при столкновении ядер свинца. У нас же слишком большая стартовая плотность вещества и маленькая температура. Но если мы сможем отработать теоретические модели, оценим более точно какие-то константы, необходимые для этих моделей, и проведем ряд других дополнительных исследований то это, конечно, поможет теоретикам в изучении ранней Вселенной.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук