Всё, что меньше протона

Уйти в глубь протона и не заблудиться в глюонном поле – вот мечта нынешнего поколения физиков!
Художник Петер Грик. Ядерное вещество, 2006 год. Источник: gric.at

Чем ближе дата пуска самого большого и мощного на Земле ускорителя элементарных частиц, LHC (Large Hadrons Collider – Большой адронный коллайдер), расположенного в Европейском центре ядерных исследований в Женеве, тем сильнее информационный шум вокруг этого события. Кажется, мировое сообщество физиков, занимающихся изучением фундаментального устройства материи, пространства и времени, буквально замерло в ожидании первых экспериментальных данных. Как тот бегун, который ждет команды «Марш!».

Строительство LHC началось еще в 1996 году. Коллайдер будет представлять собой кольцевой ускоритель, расположенный под землей на глубине 100 м. Кольцо LHC длиной 27 километров (sic!) проходит под территориями Швейцарии и Франции. Отдельные части и узлы коллайдера собирали в разных странах мира, в том числе и в России. Запуск его в работу планируется на ноябрь текущего года.

Речь идет о том, что в LHC будут воспроизведены условия, характерные для момента так называемого Большого взрыва, в результате которого родилась наша Вселенная примерно 14 млрд. лет назад. Именно тогда и появилось все вещество Универсума. И одна из самых волнующих загадок – что, собственно, превращает материю в таковую, какие силы (сила?) «лепят» потрясающее разнообразие проявлений этой материи, которое мы наблюдаем во Вселенной, и, в конце концов, что наделяет элементарные частицы массой┘

Ответ, во всяком случае теоретический, имеется: кварки.

Предположения о существовании кварков – строительной основы элементарных частиц – были высказаны еще в 1964 году американским физиком Марри Гелл-Маном. Теория родилась в процессе изучения взаимодействия между элементарными частицами внутри ядра атома. Протоны и нейтроны вели себя странно, и, казалось, совсем не по привычным для квантовой механики законам. Недаром и сам термин «кварк» был позаимствован Гелл-Маном из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финегану», где этим словом обозначалось нечто таинственное и неопределенное.

Сегодня насчитывается около двух десятков разновидностей кварков, все они имеют дробный электрический заряд (кварки: +2/3, –1/3, антикварки: -2/3, +1/3) и располагаются внутри элементарных частиц триадами. Изучение этих фундаментальных кирпичиков материи проводится в основном на протонах. И сравнение с «кирпичиками» здесь совсем не случайно – кварки, так же как и глиняные блоки в наших домах, соединяются между собой особым «цементным раствором» – глюонным полем (от англ. glue – клей). И, как показывают исследования, эта связующая материя намного важнее для физики, чем сами кварки: по некоторым оценкам, глюонное поле содержит 98% всей массы протона (sic!).

Протон, как элементарная частица, образуется тремя кварками. Взаимодействуя между собой, кварки порождают абсолютно новое физическое поле – глюонное облако. О его существовании говорил все тот же Гелл-Ман еще в 1973 году. Парадокс в том, что глюонное облако не является ни материей в привычном нам смысле слова, ни волновым полем и при этом живет собственной жизнью, отдельной от кварков.

Его энергия колеблется от 938 МэВ (мегаэлектровольт) до 1520 МэВ, и, самое главное, эта энергия берется как бы из ничего. Это дает возможность предположить, что глюонное поле – один из источников массы во Вселенной, наряду с хиггсовым полем, нейтрино, суперчастицами и темной материей.

Выходит, что глюонное поле, порождая массу, отвечает и за притяжение кварков друг к другу – экспериментально «оторвать» их друг от друга еще ни разу не удалось. Фактически глюонное поле является той загадочной силой, которая не дает вселенной элементарных частиц превратиться в хаос.

Уникальный физический прибор LHC, как надеются ученые (некоторые в этом даже абсолютно уверены!), и позволит изучить самые тонкие механизмы функционирования пространства-времени. Внутри установки будут воспроизведены процессы, результаты которых, по мнению специалистов «Центра высокотемпературной техники», участвующих в создании ключевых узлов LHC – торцевых адронных калориметров, могут привести к открытиям настолько колоссальным, что «определят генеральное развитие науки и технологии в XXI веке». Вряд ли это преувеличение.