Книга Бытия. Общая история происхождения - Гвидо Тонелли

электронами, а все возможные элементарные частицы, движущиеся с релятивистскими скоростями; прежде всего, это глюоны и кварки. Сильное ядерное взаимодействие при таких температурах очень слабо. Константа связи будет постепенно расти по мере остывания Вселенной, но пока она совсем не так велика, чтобы ограничивать кинетическую энергию частиц для образования связанных состояний.

Получившаяся плазма из кварков и глюонов – это газ, напоминающий по свойствам идеальную жидкость. Его компоненты легко проскальзывают друг сквозь друга, практически не взаимодействуя между собой. Получается совершенная жидкость, лишенная всякой вязкости, обладающая идеальной сверхтекучестью, движущаяся без устали и способная проникать в любую щель, оставшуюся незаполненной. Это разновидность жидкого супа, раскаленного и неосязаемого, и его странные свойства были в подробностях изучены, как только его научились воспроизводить в лабораториях. Это стало возможно относительно недавно, когда были созданы мощные установки, способные сталкивать тяжелые ионы.

Обычно ускорители сталкивают либо точечные частицы вроде электронов, либо в лучшем случае протоны, каждый из которых всего лишь горстка кварков и глюонов. То есть и тогда столкновения с наибольшими энергиями происходят между точечными объектами: точечные элементарные компоненты протонов сталкиваются фронтально, а все остальное в них просто разрушается.

Специальные устройства позволяют вбрасывать в тоннель ускорителя и гонять по кругу тех же самых установок значительно более объемные и сложно устроенные объекты, например тяжелые ионы. В сущности, речь идет о ядрах ионизованных атомов, которые полностью или частично лишились своих электронных оболочек. Поскольку они электрически заряжены, их можно инжектировать в ускоритель и там разогнать до нужных энергий, а потом привести в столкновение с другим пучком. Поскольку они тяжелые и сложно устроенные, столкновения получаются гораздо более зрелищными: это настоящий фейерверк, разлетающийся десятками тысяч частиц.

Посмотрим, например, на столкновения ионов свинца, которые проводят на Большом адронном коллайдере. В этом случае разгоняются и сталкиваются очень тяжелые ядра, состоящие из двух сотен протонов и нейтронов, при очень большой энергии.

Ультрарелятивистское ядро напоминает тонкий сплющенный диск. Согласно теории относительности, все его размеры в направлении движения глюонов и кварков сокращаются, а масса с ростом скорости увеличивается, поэтому локальная плотность ядерной материи в этом диске оказывается очень большой. При столкновении двух дисков из движущихся навстречу друг другу пучков происходит центральный удар, они налетают друг на друга, как говорится, лоб в лоб, но при этом получается суперпозиция сотен индивидуальных столкновений. В сердце удара развивается такая высокая температура, что на какую-то долю секунды оказавшиеся там кварки и глюоны расплавляются, образуя капельку этой самой первичной жидкости, кварк-глюонной плазмы.

Энергия современных ускорителей так высока, что в лаборатории воспроизводится Большой взрыв в миниатюре. Бесконечно малый объем, где происходит это событие, быстро расширяется при высокой температуре, и через мгновение образовавшаяся жидкость теряет свои характеристики, уступая место струям известных элементарных частиц. Но свойства этих вторичных продуктов, излучаемых из центра столкновения, дают возможность восстановить особые свойства сверхтекучей жидкости.

Протон – это навсегда

Еще через микросекунду температура становится меньше критической – необходимой для выживания кварк-глюонной плазмы. В этот момент во Вселенной обитает огромное изобилие фотонов, повсюду носятся кварки и лептоны вместе с глюонами, и в то же время бозоны W и Z, став массивными, резко сокращают радиус действия.

Мало-помалу Вселенная охлаждается, взаимодействия, переносимые глюонами, становятся все сильнее, и в конце концов каждый глюон прицепляется к какому-нибудь кварку и исчезает из виду, а материя начинает собираться в более тяжелые комки, получившие название адронов (от греческого “сильный”, то есть составленный из кварков и потому участвующий в сильных взаимодействиях). Первые попытки создать стабильную материю кончаются неудачей: рождаются пары кварка и антикварка, удерживаемые вместе глюонами, но связи эти недолговечны и нестабильны – кварк и антикварк скоро расстаются. Дело складывается намного лучше, если союз устроен сложнее и в него входят три кварка.

Новая конфигурация сразу оказывается значительно более перспективной. Триплет кварков, удерживаемых вместе мотающимися между ними глюонами, как будто специально создан надолго. Но в действительности, если в триплетах участвуют кварки потяжелее, то дела идут ненамного лучше. На какое-то мгновение кажется, что все надежно, но потом и они демонстрируют признаки нестабильности и вскоре после этого, при дальнейшем понижении температуры, распадаются, украшенные небольшими фейерверками.

По-настоящему удивительные вещи происходят, когда организуются триплеты самых легких кварков. Это первое семейство, состоящее из кварка up, u, и кварка down, d.

Они не только самые легкие, но и самые неприметные, поскольку слабее других связаны с полем Хиггса: они тяжелее только очень легких лептонов. Гигантские t-кварки, в тысячи раз более тяжелые, тоже появляются, но им не удается собрать воедино ничего стабильного. А самые маленькие, напротив, успешно справляются там, где их громоздкие братья терпят сокрушительное фиаско.

Рождающаяся архитектура обладает простотой гениальных решений, подобно трехногому столу, который всегда в равновесии и никогда не шатается. Два кварка up с зарядами +2/3 каждый и один кварк down с зарядом –1/3 в сумме дают ровно +1 – это протон.

Новое образование прямо-таки архетипически стабильно, его архитектура идеально подходит для того, чтобы сохраниться навечно. Комплект из трех кружащихся кварков, увязших в патоке переносимого глюонами сильного взаимодействия, превращается в неприступную крепость. Несмотря на легкость своих элементарных компонентов, его масса вполне солидна – почти 1 ГэВ, ее создает поле сильного взаимодействия, удерживающее все это вместе. Три самых легких кварка крепко связаны, и энергия связи значительно превосходит их суммарную массу. Это “сильный клей”, который обеспечивает сохранность протона и в котором прячется тайна его массы, доставляющая ему таким образом его легендарную стабильность.

По мере охлаждения Вселенной ее энергия становится значительно ниже той, что связывает протон воедино, и поэтому становится все труднее и труднее его разрушить. Это еще может получиться, если разогнать протоны до ультрарелятивистских скоростей в космических катастрофах или если они отправятся путешествовать в пространстве в космических лучах высоких энергий. В тот момент, когда они сталкиваются с другими частицами, они вступают в те же разрушительные для них реакции, в какие их могут вовлечь земляне с помощью своих ускорителей. Но все это очень редкие события. В подавляющем большинстве случаев три легких кварка, погруженные в море сцепленных с ними глюонов, будут стойко переживать все изменения, испытываемые Вселенной на протяжении миллиардов лет.

Сейчас проводятся эксперименты исключительной сложности, чтобы дать ответ на вопрос, в каких пределах можно говорить о бессмертии протонов. Результаты поразительны.

Если бы протон распадался на более легкие частицы, пусть даже в очень редких реакциях, можно было бы измерить его среднее время жизни. Достаточно было бы зарегистрировать только один такой