глюон

Представьте себе два волчка, запущенных на столе. Если они вращаются в одну сторону, их общее вращение велико; если навстречу друг другу — суммарное вращение может быть нулевым, хотя каждый волчок по отдельности вертится быстро. В паре нейтронных звёзд, сближающихся перед слиянием, роль таких волчков играют их собственные вращения — спины.

Нейтронная звезда — это компактный остаток массивной звезды после вспышки сверхновой. Вещество в ней сжато до ядерной плотности: чайная ложка такого материала весила бы как гора. В этих экстремальных условиях протоны и нейтроны упакованы вплотную, и при колоссальном давлении могут рождаться гипероны — барионы, содержащие странный кварк.

Когда протон разбивают на части в ускорителе, из него вылетают кварки и глюоны — фундаментальные частицы, из которых состоит материя. Но свободными их не увидеть: почти сразу они слипаются в новые частицы — адроны, как капли ртути собираются в шарики.

Обычный лёд превращается в воду при нуле градусов Цельсия. А вещество ядерной плотности — кварк-глюонная плазма — испытывает нечто похожее при температуре около 155 МэВ (примерно два триллиона градусов). Только здесь плавится не кристаллическая решётка, а так называемый кварковый конденсат — вакуумное море, придающее частицам массу.

Протон — не цельный шарик, а крохотная тюрьма. Внутри неё заперты три кварка, и вырваться им не даёт глюонное поле — что-то вроде невидимых нитей, которые становятся только крепче, если кварки пытаются разойтись.

Протон — не монолитный шарик. Это бурлящее облако из кварков и глюонов, которые постоянно рождаются и исчезают. Описать такую картину помогают функции распределения партонов — они показывают, с какой вероятностью внутри протона встретится кварк или глюон с определённой энергией.

Массивный алюминиевый цилиндр весом в тонну висит в вакууме. Сквозь него проходит гравитационная волна — рябь пространства-времени, — и брусок начинает едва заметно дрожать. Эту дрожь можно услышать как звук: гравитационная волна превращается в фонон — квант звуковых колебаний.

Кастрюля с очень густым и горячим клеем — примерно так выглядела ранняя Вселенная. Это был не обычный клей, а «глюонный суп»: частицы, переносящие сильное взаимодействие (глюоны), свободно носились в пространстве. Температура стояла такая высокая, что даже кварки и глюоны не слипались в протоны и нейтроны.

Горсть песка в кулаке: песчинки упираются друг в друга, и дальше рука не сжимается. Обычное вещество ведёт себя похоже. Но в нейтронной звезде сжатие в миллиарды раз сильнее — атомы раздавлены, электроны вжаты в протоны, и почти всё пространство заполнено нейтронами. Однако это не просто плотная упаковка шариков.

В ускорителях вроде Большого адронного коллайдера сталкивают тяжёлые ядра на огромной скорости. На миг рождается кварк-глюонная плазма (КГП) — состояние вещества, где кварки и глюоны плавают свободно, как в первые микросекунды после рождения Вселенной. Эта плазма не просто горячая.

В микромире сильного взаимодействия — самого мощного клея природы — кварки никогда не гуляют в одиночку. На больших расстояниях они слипаются в знакомые нам протоны и нейтроны. Но при экстремальном сжатии, как в недрах нейтронной звезды, этот клей создаёт куда более причудливые формы материи.

На ускорителях, сталкивая тяжёлые ядра, физики ненадолго создают кварк-глюонную плазму — состояние вещества, где кварки и глюоны не заперты внутри частиц, а свободны. Долгое время её представляли газом, но эксперименты показали: это почти идеальная жидкость. Частицы в ней движутся согласованно, как молекулы в мёде.

Пространство-время часто уподобляют туго натянутой ткани: массивное тело продавливает её, искривляя путь света. Вращение же закручивает эту ткань спиралью — возникает гравитационная воронка. Она способна запутать пролетающий фотон с самим источником вращения, например, крошечным зеркальцем.

В недрах массивной нейтронной звезды, где чайная ложка вещества весит, как гора, кварки стиснуты до немыслимой близости.

Лёд, вода, пар — фазовые переходы, знакомые каждому. Но что происходит, если сжать и разогреть само ядро атома? Теоретики полагают, что протоны и нейтроны в нём «плавятся», высвобождая кирпичики помельче — кварки и глюоны. Получается горячая каша, которую называют кварк-глюонной плазмой.

Внутри протона кипит жизнь. Кварки там не просто сидят — их склеивают частицы-переносчики, глюоны (от слова glue — клей). Обычно этот клей равномерно размазан, как масло по сковороде. Но когда энергии становятся огромными, глюоны начинают сбиваться в комки. Это и есть глюонный конденсат — сверхплотное состояние клеящего поля.

Электронные облака вокруг атомных ядер можно представить как пушистые шубы: они не дают ядрам сблизиться для слияния. Но замените лёгкий электрон на мюон — тяжёлый аналог электрона из стандартной модели элементарных частиц, — и картина меняется. Мюон формирует компактную «шубу», сжимая электронное облако почти в 200 раз.

Если сжать горсть песка до размеров булавочной головки, он превратится в камень. Но если сжать ещё сильнее — до плотности атомного ядра, — песчинки потеряют свою форму. Протоны и нейтроны растворятся, и вещество станет похожим на суп из свободных кварков.

Капля жирных сливок в стакане молока. Если взболтать, жир не размажется равномерно — он соберётся в более плотные сгустки, которые движутся иначе, чем остальная жидкость. Примерно так же ведут себя кварки внутри мезонов — крошечных частиц, живущих ничтожные доли секунды. Мезон состоит из кварка и антикварка, и они редко бывают равноправны.

Вселенная полна невидимого вещества, которое управляет движением галактик. В 1970-х астроном Вера Рубин показала: без тёмной материи звёзды на окраинах давно разлетелись бы. Но из чего она состоит, неизвестно.

Отдельный гравитон — квант пространства-времени — невероятно слаб. Для детекторов вроде LIGO, созданных Райнером Вайссом и коллегами, квантовые эффекты подавлены в 10⁻³⁸ раз: это как пытаться услышать, как упавшая в ураган песчинка меняет направление ветра.

Если попробовать разломить протон и вытащить из него кварк, вас ждёт сюрприз. Обычные силы, вроде электрической, слабеют, когда частицы разлетаются. А здесь — наоборот. Чем дальше кварк от своих соседей, тем сильнее его тянут обратно.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Примерно так же ведут себя глюоны — частицы-переносчики сильного взаимодействия внутри протонов. Обычно они снуют туда-сюда, удерживая кварки вместе.

Протон кажется цельным шариком, но внутри у него кипит жизнь: кварки обмениваются глюонами — частицами, которые их склеивают. Глюоны то появляются, то исчезают, и их распределение по протону — не просто любопытная деталь, а ключ к предсказаниям на Большом адронном коллайдере.

В столкновениях тяжёлых ядер на коллайдерах рождается кварк-глюонная плазма — состояние материи, где кварки и глюоны свободны, как вода в пару. Тяжёлые кварки, такие как b-кварки, попадая в эту плазму, теряют энергию, и их связанные состояния — боттомонии — разрушаются.

Если ядро атома — это семья, то в доме обычного гелия живут два протона и два нейтрона, крепко держась за руки. А теперь представьте, что один из членов семьи — чудак, который любит гулять далеко от дома.

В тёмной комнате вспыхивает невидимая лампа. Её свет не похож на привычный: у него нет постоянной яркости, только редкие, но мощные всплески. Это яркий сжатый вакуум — состояние света, в котором нет обычной волны, но есть сильные квантовые флуктуации. Именно таким светом физики обстреляли атомы ксенона. Каждый всплеск выбивает из атома электрон.

Столкновение двух свинцовых ядер на Большом адронном коллайдере — это как бросить друг в друга два увесистых мешка с шариками. Обычно шарики разлетаются во все стороны, но иногда один мешок пролетает так близко, что шарики не сталкиваются, а лишь обмениваются взглядами.

Вода в чайнике закипает при ста градусах, но если её сильно сжать, она поведёт себя иначе. Примерно так же кварки и глюоны — кирпичики, из которых сложены протоны и нейтроны, — меняют свои свойства в сильном магнитном поле.

Внутри каждого протона и нейтрона кипит невидимая работа: глюоны — частицы-переносчики сильного взаимодействия — склеивают кварки в единое целое. Это поле можно сравнить с резиновыми жгутами, которые не дают кваркам разлететься.

Протон — не цельный шарик, а бурлящее облако из кварков и глюонов. Каждая частица несёт свой кусочек вращения, но если сложить все кусочки, получается не весь спин протона. Часть вращения словно прячется в самых медленных обитателях облака — тех, что несут лишь крошечную долю общего движения.

Лист графена толщиной в один атом — как идеально ровная скатерть, по которой катятся электронные шарики. Поставьте на пути этих шариков электрический барьер — и обычно они отскочат назад. Но в графене всё иначе: при некоторых условиях электроны проходят сквозь барьер, даже не заметив его, словно стена из тумана.

В 2010 году физики на Большом адронном коллайдере впервые получили кварк-глюонную плазму — состояние вещества, в котором кварки и глюоны свободны, как вода в паре, а не заперты внутри протонов и нейтронов. Теперь коллаборация ALICE изучила, как в такой среде движутся очарованные частицы — те, что содержат тяжёлый c-кварк.

Квантовый эффект Холла — явление, при котором проводимость двумерного электронного газа квантуется в сильном магнитном поле, — долгое время подозревали в сверхтекучести: способности течь без трения, без диссипации энергии.

В глубине Большого адронного коллайдера ядра свинца сталкиваются с такой силой, что на миг рождается материя горячее Солнца. Это кварк-глюонная плазма — суп из самых мелких кирпичиков вещества, который существовал лишь в первые микросекунды после Большого взрыва.

В 2010-х физики, работающие на Большом адронном коллайдере, научились создавать в лаборатории вещество, которое в обычном мире не встречается.

Протон — это не твёрдый шарик, а скорее тугое переплетение кварков и глюонов. Глюоны — частицы, которые переносят сильное взаимодействие, своего рода клей, удерживающий кварки вместе. Но этот клей не просто соединяет — он давит. В эксперименте J/ψ-007 на ускорителе Jefferson Lab пучок фотонов направили на протоны.

Протон — не цельный шарик. Внутри него кипит смесь из кварков и глюонов. Глюоны — это частицы, которые склеивают кварки, как клей склеивает деревяшки. Вопрос: сколько «веса» протона приходится на этот клей? Физики посчитали это на компьютере, разложив пространство и время на мелкую сетку. Стандартная модель описывает, как кварки и глюоны взаимодействуют.

В центре столкновения двух ядер свинца на миг рождается крошечный огненный шар — материя настолько горячая, что протоны и нейтроны плавятся, и кварки с глюонами свободно плавают в этом «супе». Такой суп называют кварк-глюонной плазмой. Она существовала в первые микросекунды после Большого взрыва, и теперь её воссоздают на ускорителях.

Пучок электронов, закрученный как штопор, врезается в протон. Из точки удара вылетают пары частиц — положительный и нейтральный пионы. Физики впервые измерили, как часто такие пары разлетаются под разными углами, когда спин электрона направлен влево или вправо. Разница в этих частотах — асимметрия — оказалась не нулевой.