В августе 2012 года физики Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) разогрели материю до невообразимых 5,5 триллиона градусов – это высочайшая температура, когда-либо достигнутая в лабораторных условиях.
Для сравнения: температура в центре нашего Солнца – «всего» 15 миллионов градусов. Учёным удалось превзойти этот показатель почти в 367 000 раз.
Как это сделали
Рекордная температура была достигнута в Большом адронном коллайдере (БАК) – крупнейшем ускорителе частиц в мире, расположенном на границе Швейцарии и Франции. БАК представляет собой кольцевой туннель длиной 27 километров, проложенный на глубине 100 метров под землей.
В рамках эксперимента 2012 года физики разгоняли ядра свинца до скорости, близкой к скорости света, после чего сталкивали их «лоб в лоб». В результате на мгновение возникали условия, которые, согласно теоретическим моделям, существовали во Вселенной через несколько микросекунд после Большого взрыва.
В ходе таких манипуляций материя переходит в особое состояние – кварк-глюонную плазму. Это не твёрдое тело, не жидкость, не газ. Это состояние, в котором протоны и нейтроны распадаются на составляющие их кварки и глюоны, свободно движущиеся в мегагорячем «супе».
В обычных условиях кварки заперты внутри протонов и нейтронов из-за сильного взаимодействия – одной из фундаментальных сил природы. Но при экстремальных температурах это взаимодействие ослабевает, и кварки освобождаются.
Зачем это нужно
На фоне этого достижения меркнет не только Солнце, но и самые массивные звёзды, недра которых разогреваются до трёх миллиардов градусов, а также ядра звёзд во время вспышки сверхновой, температура которых подскакивает до 100 миллиардов градусов. Температура, достигнутая на БАК, – это не просто рекорд, а возможность изучать процессы, которые ни при каких других условиях нельзя наблюдать в нашей Вселенной.
Цель экспериментов в БАК – понять, как устроена материя на фундаментальном уровне и как родилась Вселенная.
Сразу после Большого взрыва (примерно 13,8 миллиарда лет назад) Вселенная была невероятно горячей и плотной. В первые микросекунды она представляла собой кварк-глюонную плазму. Затем, по мере расширения и остывания, кварки объединились в протоны и нейтроны, из которых позже сформировались атомы.
Воссоздавая условия ранней Вселенной в лаборатории, физики изучают поведение кварк-глюонной плазмы, взаимодействие кварков и глюонов при экстремальных температурах, переходы материи из одного состояния в другое. Это позволяет уточнять наши теоретические модели и проверять всевозможные гипотезы.
Сегодня одна из главных нерешённых загадок космологии – почему материя победила антиматерию. После зарождения Вселенной их должно было быть поровну, но сейчас антиматерии практически нет. Эксперименты такого рода приближают нас к ответу.
Мгновение на наблюдения
Рекордная температура существует ничтожно короткое время – порядка 10⁻²³ секунды. Это время, за которое свет проходит расстояние меньше диаметра протона.
Затем кварк-глюонная плазма остывает и обратно «собирается» в обычные частицы – протоны, нейтроны, мезоны. Этот удивительный процесс называется адронизацией. Детекторы БАК фиксируют следы этих частиц, и по ним физики буквально реконструируют события, происходившие в момент столкновения.
Энергия, выделяемая в ходе одного такого столкновения, ничтожна – примерно, как энергия летящего комара. Но эта энергия сосредоточена в объёме размером с атомное ядро (10⁻¹⁵ метра), тогда как комар состоит из пяти квинтиллионов атомов. Именно поэтому температура достигает столь запредельных значений.
Почему это безопасно
Казалось бы, температура в триллионы градусов должна испепелить всё вокруг. Но этого не происходит по двум причинам:
- Во-первых, количество материи ничтожно. Столкновение происходит между парой атомных ядер – это несколько сотен протонов и нейтронов. Их общая масса – 10⁻²⁴ грамма. Да, энергия столкновения огромна, но её носитель – микроскопический.
- Во-вторых, время существования кварк-глюонной плазмы составляет 10⁻²³ секунды, так что она просто не успевает передать тепло окружающим материалам.
Предшественник рекорда и планы
До БАК температурные рекорды принадлежали Релятивистскому коллайдеру тяжёлых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории, США. В 2005 году там впервые получили кварк-глюонную плазму при температуре около четырёх триллионов градусов.
Именно тогда учёные впервые доказали, что кварк-глюонную плазму можно создать в лабораторных условиях. Но БАК, работающий на более высоких энергиях, превзошёл этот результат.
Но физики не собираются останавливаться на достигнутом. ЦЕРН развернул масштабную программу High-Luminosity LHC по модернизации Большого адронного коллайдера, которая должна завершиться к концу 2020-х годов. Цель – увеличить количество столкновений в пять-десять раз. Это позволит не только достигать более высоких температур, но и собирать больше данных, которые пока ускользают от детекторов.
Кроме того, ЦЕРН работает над концепцией Future Circular Collider, предусматривающей строительство 100-километрового ускорителя. Когда его введут в эксплуатацию (по плану к 2040-м годам), энергия столкновений вырастет в семь-десять раз. Это означает, что появится возможность достигать температуры в десятки триллионов градусов, а значит ещё сильнее приблизиться к условиям самых первых мгновений Большого взрыва.
Китай также планирует построить свой гигантский ускоритель CEPC-SPPC – сначала для электронов и позитронов, затем для протонов. К возведению приступят в 2030 году, а сбор данных начнут в 2040 году. Поднебесная не скрывает амбиций обогнать ЦЕРН и достичь энергий, недоступных БАК.
В мире также разрабатываются концепции плазменных и лазерных ускорителей, которые позволят достигать сопоставимых энергий без необходимости строить многокилометровые установки.
Есть ли предел?
Теоретически существует планковская температура – 1,4 × 10³² K. Это абсолютный предел, при достижении которого современная физика просто «перестаёт работать». На этом рубеже гравитация становится сравнимой с другими фундаментальными силами, пространство-время начинает «кипеть» квантовыми флуктуациями.
*Считается, что при достижении планковской температуры интенсивности всех четырёх взаимодействий (ядерное, электромагнитное, слабое и гравитационное) выравниваются. Они становятся неразличимы и, предположительно, сливаются в одну единую силу.
Планковская температура существовала только в первое мгновение Большого взрыва – 10⁻⁴³ секунды после него. С тех пор ничто во Вселенной не достигало таких значений.
Учитывая действующий рекорд, до планковской температуры нам ещё очень далеко – разница как между атомом и галактикой. Однако достичь её в лабораторных условиях невозможно: чтобы разогреть хотя бы микроскопический объём материи до этого предела, потребовалась бы энергия, превышающая энергию всех звёзд в наблюдаемой Вселенной.
Фото на заставке: Художественная визуализация туннеля будущего протонного коллайдера Future Circular Collider / © CERN