Стандартная Модель и ее проблемы

Выше мы описали основные частицы материи – u и d кварки, электроны, нейтрино – и геометрическую природу взаимодействий между ними. Эксперимент, однако, показал, что полный перечень частиц материи в действительности более широк и содержит еще два дополнительных семейства частиц. Эти семейства (их принято называть поколениями) также состоят из кварков – аналогов u и d, заряженных лептонов – аналогов электрона и новых типов нейтрино – аналогов n_e. Все частицы, фигурирующие в современной теории, называемой Стандартной Моделью (СМ) фундаментальных частиц и взаимодействий, собраны в нижеследующей Таблице.

В первых двух колонках Таблицы приведены названия и математические символы элементарных частиц, в скобках указаны их массы покоя в мега- (МэВ) и гигаэлектронвольтах (ГэВ): 1 МэВ = 1.8 ×10^-27 г, 1 ГэВ = 1.8×10^-24 г. В третьей колонке кратко охарактеризованы вакуумные состояния соответствующих квантовых полей. Все частицы, за исключением ХБ, обнаружены в ускорительных экспериментах и свойства их взаимодействий детально изучены.

Для завершения экспериментальной проверки СМ необходимо, однако, обнаружить хиггсовский бозон – в этом состоит первая и основная проблема СМ. Эксперимент по поиску ХБ и возможные последствия эксперимента для физики элементарных частиц, как мы уже говорили, будут обсуждаться в Разделе 7. Свойства же коллективных возбуждений ХК несут информацию о самом конденсате и его функциях, одной из которых и является формирование масс покоя всех указанных в Таблице элементарных частиц. Заметим, что речь идет не только о частицах первого поколения, но и о частицах второго – мюонное нейтрино n_m, мю-мезон m, «очарованный» кварк c («charm»), «странный» кварк s («strange»), и третьего поколений – тау-нейтрино n_t, тау-лептон t, «наивысший» кварк t («top») и «прелестный» кварк b («beaty»).

Происхождение кварк-лептонных поколений, природа их сходства и различий составляет содержание второй проблемы СМ. Сходство поколений в том, что они совершенно одинаково участвуют в фундаментальных взаимодействиях. А различие между ними очевидны из самой Таблицы – массы частиц второго поколения систематически выше масс частиц первого поколения, и то же можно сказать при сравнении масс третьего и второго поколений. Проблема, однако, не только в выяснении природы расщепления спектра масс. Есть еще один, весьма интересный эффект, тщательно изученный экспериментально, но пока не понятый до конца: смешивание кварковых поколений. Речь идет о специфических взаимосвязях и взаимообусловленности свойств кварков из различных поколений. Если бы каждое поколение кварков обладало собственными, присущими ему и только ему свойствами, то в каждом поколении было бы по одному стабильному кварку (стабильным был бы кварк с меньшей массой). Так, в первом поколении стабильным является u кварк, а d кварк распадается по каналу: . Аналогично, во втором и третьем поколениях (если бы их свойства были независимы друг от друга и от первого поколения) стабильными были бы s и b кварки (c и t кварки распадаются, например, по таким каналам: , ).

Эффект смешивания кварков состоит в том, что партнерами для распадов кварков являются кварки не только того же самого, но и соседних поколений. Это означает, что распределение кварков по поколениям в Таблице в некотором смысле условно, каждый элемент таблицы на самом деле должен содержать суперпозицию всех кварков верхнего или нижнего типа. В этой суперпозиции, конечно, доминирующее место занимает тот кварк, который и фиксирует номер поколения. Два других кварка являются, образно говоря, некоторыми малыми примесями, роль которых, однако, чрезвычайно велика в формировании свойств вещества. За счет смешивания поколений странный s кварк в действительности не является стабильным, а распадается по каналу: . Происхождение этой формулы легко понять, если в первом столбце таблицы заменить d кварк на суперпозицию d и s кварков. Аналогично распадается и b кварк. Таким образом, смешивание приводит к тому, что в веществе отсутствует стабильный s кварк, точнее, барионы, в состав которых входит s кварк, например лямбда-гиперон: L = uds. Если бы смешивания не было, эти гипероны входили бы в состав стабильных атомных ядер, образуя так называемые гиперядра. Отличительное свойство таких ядер – они существенно тяжелее обычных ядер при одном и том же числе внутриядерных частиц. В макромире существование стабильных гиперядер привело бы к появлению материальных объектов с почти идентичными химическими свойствами, но сильно различающихся по массе. Такие объекты могли бы сформировать совершенно новые химические и биохимические структуры. Мир, в котором гиперядра стабильны, сильно отличался бы от наблюдаемого мира. Уже одно это обстоятельство заставляет нас самым серьезным образом отнестись к проблеме смешивания, которая, конечно, является частью общей проблемы происхождения кварк-лептонных поколений.

В существующей теории расщепление спектра масс и смешивание поколений вводится на основании гипотезы о различной интенсивности взаимодействий частиц разных поколений с ХК. Конечно, мы хорошо понимаем искусственность этой гипотезы – частицы, тождественные во всех остальных отношениях, почему-то, по неизвестным нам причинам, по-разному взаимодействуют с одним и тем же конденсатом. Формально математически эту гипотезу ввести можно, однако интерпретировать ее в разумных терминах не удается. Ясно, что здесь явным образом проявляется неполнота наших знаний о вакууме. Почти несомненно, что вакуум в действительности обладает более сложной структурой, чем та, которая указана в третьей колонке Таблицы. Новые, дополнительные вакуумные структуры должны, в конечном итоге, решить проблему поколений.

Третья проблема СМ – выделенный статус нейтрино. В Таблице указано, что массы нейтрино приближенно равны нулю. Сегодня, однако, накопилось большое количество косвенных экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что массы нейтрино все же отличны от нуля, хотя и весьма малы. Численные значения их масс лежат в интервале от 1 до 10 эВ (1 эВ = 10^-3 МэВ), т.е. более чем в 10000 раз легче ближайшей по массе элементарной частицы – электрона и более чем в 10 миллиардов раз легче самого тяжелого из кварков – t кварка. Разумеется, необходимо понять, в чем состоят физические причины такого громадного отличия масс нейтрино от характерных масс других элементарных частиц. Острота этого вопроса подчеркивается и внутренними математическими свойствами СМ – внутри теории нет никаких причин, запрещающих ввести массы покоя нейтрино примерно той же величины, что и характерная масса соответствующего кварк-лептонного поколения. Однако эксперимент заставляет вводить в теорию искусственный малый параметр, резко отделяя нейтрино в спектре масс своего поколения. Последнее означает, что мы просто не знаем истинных причин появления этого малого параметра. Решение проблемы выделенного статуса нейтрино предполагает выход за рамки СМ, что автоматически приведет к усложнению структуры вакуума в расширенной теории.

Как видим, все три вышеперечисленные проблемы СМ имеют непосредственное отношение к внутренней структуре вакуума. Для решения этих проблем необходимы, прежде всего, новые эксперименты и, весьма вероятно, новые физические идеи.

Существует, однако, еще одна, четвертая проблема СМ – установление новых принципов квантовой динамики для теоретического описания эволюции кварк-глюонного конденсата в реальном пространстве-времени. Ситуация с четвертой проблемой в некотором смысле противоположна первым трем. Для решения первых трех проблем нужно экспериментально обнаружить новые вакуумные структуры, СМ лишь подсказывает, что такую задачу необходимо поставить. Что же касается КГК, то он экспериментально обнаружен, его энергетические параметры измерены, установлена также роль КГК в формировании структуры адронов. Теоретически же мы можем описывать лишь стационарные (неизменные во времени) состояния КГК. Очевидно, однако, что в реальном мире происходят процессы, в которых состояния КГК изменяются во времени в макроскопических масштабах. Более того, уже спланирован и в ближайшие годы будет проводиться эксперимент, в котором такие изменения будут индуцироваться искусственно в процессах соударений тяжелых ионов. Рассказу об этом эксперименте посвящен Раздел 5, а сейчас мы обсудим более подробно физическую природу и структуру КГК. Наша цель – обратить внимание на глубокие причины геометрического и топологического характера, заставляющие ставить задачу поиска новых принципов квантовополевой динамики.

Итак, известная на сегодняшний день теория элементарных частиц утверждает, что вакуум представляет собой иерархическую гетерогенную систему, состоящую из подсистем трех типов. Первая из них представляет собой подсистему слабо коррелированных вакуумных флуктуаций силовых g, W^±, Z⁰ и лептон-антилептонных полей. Природа этих флуктуаций однозначно диктуется принципом неопределенности, имеющим место и для частиц, и для полей. Классический вакуум (полное отсутствие поля), по сути, означает наличие определенных (равных нулю) значений полевых динамических переменных. Квантовый принцип неопределенности утверждает, что существование определенных значений различных (взаимодополнительных) динамических переменных невозможно, отсюда и появление вакуумных флуктуаций.

Вторая подсистема, обнаруженная экспериментально и детально изученная в КХД – система сильно скоррелированных квантовых флуктуаций глюонных и кварковых полей. Отличие второй подсистемы от первой в следующем: если первую подсистему можно мыслить как квантованные волны, почти независимые друг от друга, не локализованные в пространстве и распространяющиеся во всем пространстве-времени, то флуктуации второго типа больше похожи на частицы. Они квазилокализованы (почти локализованы) в пространстве и во времени (в отличие от стабильных частиц, которые существуют на бесконечном интервале времени). Поэтому их называют псевдочастицами (инстантонами), и они сильно взаимодействуют друг с другом, образуя среду, называемую кварк-глюонным конденсатом (КГК).

Точнее говоря, флуктуирующее глюонное поле порождает глюонный конденсат, который в свою очередь индуцирует появление кваркового конденсата, извлекая из вакуума сильно взаимодействующие и сильно скоррелированные между собой кварковые флуктуации. Совокупность всех этих кварковых и глюонных вакуумных флуктуаций и образует КГК.

Еще одно отличие псевдочастиц-инстантонов от обычных частиц в том, что, если обычные частицы могут перемещаться на макроскопические расстояния, то псевдочастица может перемещаться лишь на расстояниях порядка размера адрона 10^-13 см. Наиболее впечатляющим свойством КГК является способность псевдочастиц-инстантонов образовывать структуры с различными свойствами. Каждая псевдочастица несет заряды, характеризующие ее способность взаимодействовать с другими псевдочастицами. В КХД эти заряды называются хромоэлектрическими и хромагнитными, в некотором отношении они похожи на электрические заряды и магнитные полюса. Однако каждая псевдочастица несет один аналог магнитного полюса, в отличие от макроскопических магнитов, несущих два противоположных полюса одновременно. Способность псевдочастиц нести на себе заряды двух типов отражается в другом их названии – дионы. Дионы могут собираться в группы, в которых общий хромоэлектрический заряд скомпенсирован, но хромомагнитный заряд не равен нулю. Область пространства, где происходит такая перегруппировка дионов, оказывается носителем энергии, повышенной по сравнению с энергией других областей, где такая перегруппировка не произошла. Перемещения дионов возможны лишь на масштабах адрона, это характеризует размер области, где и могут перегруппировываться дионы. Сами по себе дионные конфигурации с компенсированными хромоэлектрическими зарядами нестабильны. Однако они стабилизируются, если в этой области наряду с дионами существуют валентные кварки. В частности, перестроенные дионные конфигурации, стабилизированные тремя валентными кварками, и представляют собой протоны и нейтроны, из которых состоит все вещество. Масса протонов и нейтронов в значительной мере определяется энергией перестроенных дионных структур, иначе говоря, энергией перестроенной вакуумной среды.

Давайте более подробно обсудим квантовые физические процессы, формирующие дионную вакуумную среду, используя при этом общепринятые термины теоретической физики. Прежде всего, вернемся еще раз к различию между электродинамикой и квантовой хромодинамикой (КХД) – наукой, изучающей сложные нелинейные расслоения. Это различие касается, прежде всего, статуса потенциалов силовых полей. Напомним, что в электростатике скалярный потенциал можно рассматривать как энергетическую характеристику поля, а напряженность – как силовую. Однако подобная интерпретация потенциала возможна только после его однозначной фиксации путем наложения на его величину некоторого математического условия, называемого калибровкой. Лишь в результате применения операции калибровки потенциал приобретает смысл энергетической характеристики поля (такая конкретная калибровка называется кулоновской). Внутренние математические свойства линейных уравнений электродинамики состоят, во-первых, в том, что потенциал можно вообще не вводить (уравнения допускают решения сразу в терминах напряженности), а, во-вторых, если потенциал и вводится, то это делается неоднозначно. В электростатике способ введения потенциала предопределяется нашим желанием дать ему простую энергетическую интерпретацию. Уравнения электродинамики, записанные в терминах потенциала в удобных калибровках, позволяют их легко решать и исследовать. Существенно, что физические результаты не зависят от способа введения потенциала и вида наложенного на него математического условия – калибровки. Это свойство теории называется калибровочной инвариантностью. Общей чертой теории, сохраняемой во всех калибровках, является наличие дифференциальной связи между калибровкой и потенциалами (в некотором смысле эта связь аналогична дифференциальному соотношению между силой и потенциальной энергией).

Попробуем лучше понять, что такое выбор калибровки и свойство калибровочной инвариантности. Предположим, что мы зафиксировали конкретный способ выбора потенциала (калибровку) и хотим, чтобы прибор, измеряющий электромагнитное поле, показывал значения не напряженностей, а потенциала в выбранной калибровке. Как уже упоминалось, связь между напряжением и потенциалом имеет дифференциальный характер. Условие калибровки позволяет разрешить эту связь (проинтегрировать дифференциальное уравнение) и сопоставить определенному значению напряженности определенную величину потенциала. Математической операции интегрирования в электронной измерительной технике соответствуют конкретные элементы схемы, называемые электронными интегрирующими цепочками. Если мы хотим измерять значения потенциалов, в прибор нужно ввести интегрирующую цепочку, соответствующую выбранной нами калибровке. При выборе другой калибровки будет нужна и другая интегрирующая цепочка, т.е. потребуется работать с другим прибором. Отсюда ясно, что, если мы хотим придать потенциалу статус наблюдаемой величины, то выбор калибровки соответствует выбору средств наблюдения, т.е. конкретному типу прибора. Математическое свойство электродинамики – независимость напряженности от выбора калибровки (калибровочная инвариантность) – по сути, означает, что результаты измерений не зависят от выбора средств наблюдения. Так как средства наблюдения являются элементом системы отсчета (система отсчета – это набор тел отсчета, на которых размещены измерительные приборы), то принцип калибровочной инвариантности можно рассматривать как некоторое обобщение принципа относительности.

КХД отличается от электродинамики существенной нелинейностью полевых уравнений. Физическим следствием математической нелинейности уравнений являются сильные взаимодействия компонент глюонного поля друг с другом. (В линейной электродинамике взаимодействие электромагнитных волн друг с другом осуществляется только через виртуальные электрон-позитронные пары и является весьма слабым.) Для анализа глюонного поля оказывается необходимым знать структуру потенциала, а не только напряженность поля. В этом случае оказывается особенно важным учитывать неоднозначность определения потенциала, то есть тот факт, что различным потенциалам соответствуют одни и те же напряженности калибровочно-инвариантных полей.

Вакуум является состоянием, в котором напряженность силовых полей равна нулю. В классической физике нулевой напряженности соответствует бесконечное количество ненулевых потенциалов. Потенциалы же, сопоставляемые вакууму КХД, имеют очень сложную математическую структуру. Они даже не обязаны быть непрерывными функциями, и могут содержать на некоторой гиперповерхности особенности, которые можно разбить на классы. С точки зрения топологии глюонный вакуум вырожден: нулевым значениям напряженностей глюонного поля соответствует бесконечное число потенциалов. Каждая из вакуумных конфигураций потенциалов отличается специальной характеристикой – топологическим числом, но имеет одну и ту же энергию. Физики говорят, что глюонный вакуум представляет собой бесконечно вырожденную по энергии систему топологически различных вакуумных состояний, которые отделены друг от друга бесконечно тонкими и бесконечно высокими энергетическими барьерами. С классической точки зрения барьеры между различными топологическими состояниями непроницаемы, и наш мир может существовать только в одном из таких состояний с определенным топологическим числом. В квантовой теории бесконечно тонкие и высокие барьеры проницаемы, и истинный квантовый вакуум представляет собой объединение всех возможных классических вакуумов. Установлено, что кварк-глюонный конденсат возникает в результате квантовых процессов туннелирования между различными топологическими состояниями расслоенного пространства-времени. Именно такие представления о вакууме экспериментально подтверждены на сегодняшний день.

Можно сказать, что кварк-глюонный конденсат характеризуется некоторым топологическим числом, связанным с числом состояний, охваченных процессом туннелирования, т.е. некоторым средним характерным числом. Причем из эксперимента известно, что среднее топологическое число равно нулю. Это соответствует равенству нулю напряженности при равенстве нулю потенциалов поля. Но это лишь в среднем, а реально имеются классы состояний с топологическими числами +1, -1, +2, -2 и т.д. Компьютерные эксперименты показывают, что характерное число состояний кварк-глюонной компоненты вакуума, охватываемых процессом туннелирования, порядка пяти. Кроме того, отличны от нуля вероятности нахождения вакуума в состояниях и с большими топологическими числами. Таким образом, состояние кварк-глюонного вакуума характеризуется как средним значением топологического квантового числа, так и распределением вероятностей по конфигурациям с топологическими числами, отличными от среднего. Сколько же всего возможных состояний у кварк-глюонного вакуума? Разумно предположить, что существует множество состояний, отличающихся по указанным выше параметрам. Иначе говоря, тот вакуум, в котором мы живем – всего лишь один из возможных, а есть и другие вакуумные состояния, в которых процессами туннелирования охватывается другое число топологических конфигураций и имеют место другие распределения вероятностей по конфигурациям.

Квантовые флуктуации глюонного поля, возникающие в процессе туннелирования, очень похожи на обычные частицы – своеобразные квазилокализованные сгустки полей. Но, в отличие от обычных частиц, они могут перемещаться лишь на малых масштабах порядка размеров адронов. В этом смысле есть нечто родственное между такой системой квантовых флуктуаций, т.е. системой псевдочастиц, и, скажем, атомами в узлах кристаллической решетки в твердом теле. Ведь известно, что атомы в узлах не могут перемещаться по кристаллу, а совершают только малые колебания вокруг положения равновесия.

Третьей вакуумной подсистемой является описанный выше хиггсовский конденсат.

Теория предсказывает, что указанные три вакуумные подсистемы влияют на свойства друг друга, образуя иерархическую систему. Конкретно, хиггсовский конденсат влияет на свойства нулевых вакуумных колебаний различных физических полей, формирует их свойства, и в определенном смысле их инициирует и перестраивает. Существование ненулевых масс кварков, сформированных взаимодействием кварковых полей с ХК, имеет принципиальное значение для формирования сильноскоррелированных квантовых флуктуаций глюонных и кварковых полей, то есть КГК, состоящим из псевдочастиц-дионов. Если бы ХК отсутствовал (т.е. кварки имели бы нулевую массу покоя), не было бы и КГК, флуктуации глюонных полей были бы сильно подавлены. Дело в том, что только отличные от нуля массы кварков делают различимыми состояния глюонного поля с различными топологическими квантовыми числами. Это и приводит к необходимости рассмотрения суперпозиций топологических состояний, охваченных процессами туннелирования, как основных элементов вакуума КХД. Нетривиальность ситуации состоит в том, что характерная энергия ХК в 100 ГэВ задает масштаб расстояний и времен, на которых формируются дефекты слоистой структуры, определяющие свойства слабых взаимодействий. Характерный же масштаб КГК (второй вакуумной подсистемы) примерно в 1000 раз меньше – 100 МэВ. Однако структуры на этом масштабе имеют место лишь постольку, поскольку имеют место структуры на масштабе 100 ГэВ – так возникает иерархическая система с самосогласованными свойствами. Устойчивость структуры при 100 ГэВ (третья вакуумная подсистема) определяется, в том числе, и эффектами взаимодействия хиггсовского конденсата с нулевыми колебаниями, т.е. устойчивость третьей подсистемы зависит от ее взаимодействия с первой подсистемой. Но существует и обратная связь – свойства первой подсистемы зависят от ее взаимодействия с третьей. Таким, образом, в иерархической вакуумной системе существуют элементы только с взаимосогласованными и взаимообусловленными свойствами.

Взаимосвязь иерархических вакуумных структур лежит в основе современной теории генерации барионной асимметрии Вселенной (неравенства чисел барионов и антибарионов) в процессе ее эволюции. Основной результат этой теории состоит в том, что барионная асимметрия вещества Вселенной выступает как следствие топологической асимметрии вакуума. Подробному обсуждению этого важнейшего явления, определяющего облик современной Вселенной, посвящен Раздел 4.2 части II.

Резюмируем: квантовые процессы туннелирования объединяют различные топологически неэквивалентные классические вакуумы в единый квантовый вакуум. Такое объединение сопровождается возникновением в пространстве–времени псевдочастиц-дионов. Привлекая известные из эксперимента интенсивности сильных взаимодействий, теория способна выяснить, какие именно неэквивалентные топологические конфигурации входят в состав квантового вакуума. При этом выясняется роль каждой из конфигураций в структуре вакуума. Теория, однако, способна количественно проанализировать только стационарные, то есть не зависящие от времени, состояния, которые в реальной Вселенной возникают асимптотически в ходе ее эволюции и только в тех ее областях, где плотность ядерной материи не очень высока. Современная теория пока еще не способна описывать динамическую перестройку систем псевдочастиц в реальном времени. Дело в том, что уравнения, которые современная теоретическая физика умеет решать, представляют собой уравнения для силовых полей, записанные на топологически заданном несиловом фоне в фиксированной калибровке. Нас же интересует ситуация, когда меняется сам несиловой топологический фон. Проблема в том, что переход к другому топологическому фону математически не может быть совершен непрерывным образом и физически не может быть истолкован как переход к другой калибровке. Существующая теория не может описывать квантовые топологические переходы между различными вакуумными конфигурациями в реальном времени. Возникает впечатление, что новая динамическая теория должна быть основана на новых принципах, существенно более общих, чем принципы современной квантовой теории поля. И только в рамках новой, еще не созданной теории мы получим возможность описывать и прогнозировать динамику физического вакуума.

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, от<

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: