Колыбель для страпельки

Как известно, из-за продолжающейся эпидемии затягивается ремонт ^[1] и откладывается запуск ^[2] Большого Адронного Коллайдера. Еще не так давно, в середине 2010-х, работа этого грандиозного ускорителя частиц позволившего в 2012 году обнаружить бозон Хиггса ^[3] и достроить Стандартную модель, могла сравниться по масштабу только с открытием гравитационных волн ^[4]. Два этих события настолько органично дополняли друг друга и отмечали как один из последних кирпичиков в здании Старой Физики, так и один из первых в основании Новой, что почти незаметным осталось одно экзотическое звено, связывающее эти открытия. Это звено – таинственная странная материя ^[5], возможное существование которой обсуждалось еще в 1980-е. Возникновение мельчайших частиц подобной материи (страпелек, о которых мы здесь еще поговорим) было серьезным поводом для беспокойства еще на этапе конструкции БАК ^[6]. Кроме того, коллаборация LIGO, впервые зафиксировавшая гравитационные волны при столкновении двух черных дыр, также открыла и события другого рода: столкновения нейтронных звезд ^[7] и столкновение черной дыры с нейтронной звездой с поглощением последней. Именно при таких столкновениях нейтронные звезды заметно деформировались. Это и позволяет предположить, что на самом деле нейтронные звезды не однородны, а имеют слоистую структуру, как, впрочем, уже предполагалось ранее ^[8]. Вещество, находящееся внутри нейтронных звезд, не может быть похоже ни на один материал, известный нам из повседневного опыта. Согласно традиционной точке зрения, нейтронная звезда представляет собой буквально «огарок ^[9]» от обычной звезды, «при жизни» сравнимой по массе с Солнцем. Поскольку такая звезда должна состоять не из атомов, а из максимально плотно прилегающих друг к другу нейтронов, предполагается, что это и есть максимально плотное вещество во Вселенной, «чайная ложка которого весит как гора Эверест ^[10]». Но именно факт сжатия двух нейтронных звезд при столкновении дал новый толчок к исследованию странной материи.

Нейтронные звезды

Привычная нам материя состоит из нуклонов — атомных ядер с различной массой, зависящей от количества протонов и нейтронов в ядре. Протоны и нейтроны (нуклоны) удерживаются в компактном виде благодаря сильному ядерному взаимодействию ^[11]. Это же взаимодействие, сохраняющееся в масштабах атомного ядра, отвечает за целостность самих нуклонов. Нуклоны состоят из кварков и глюонов – элементарных частиц, близких по природе к электронам (и кварки, и электроны относятся к классу фермионов). Тем не менее, в свободном виде, вне нуклонов, кварки в привычных нам условиях не встречаются, и это принципиальный момент. Получить свободный кварк в лаборатории невозможно ^[12], как невозможно получить магнит с одним полюсом. Явление неразрывной связи между кварками, проиллюстрированное ниже, называется «конфайнмент» (дословно: «удержание ^[13]» или «невылетание»).

Считается, что нейтронные звезды состоят из одних нейтронов именно в силу действия гравитации: сплющивающиеся атомы теряют электроны, затем протоны превращаются в нейтроны. В результате получается звезда размером с город ^[14] (книга Сергея Попова с аналогичным подзаголовком – один из наиболее интересных русскоязычных текстов о нейтронных звездах). Первыми из нейтронных звезд были открыты пульсары – это звезды ^[15], испускающие периодические импульсы в радиодиапазоне. Впервые пульсары были обнаружены в 1967 году и даже приняты за источники радиосигналов внеземного происхождения ^[16].

Но также не исключено, что при колоссальных давлениях внутри нейтронной звезды материя продолжает видоизменяться и далее, и отдельные кварки, отцепившись от нейтронов, могут существовать в свободном состоянии. Такая субстанция называется «кварк-глюонная плазма ^[17]» или «кварковый суп». В 2018 году капельки кварк-глюонной плазмы впервые удалось получить экспериментально. Предполагается, что она могла существовать в первые миллисекунды после Большого Взрыва, а также, что такая материя может образовываться при столкновениях ^[18] нейтронных звезд.

Коллайдер и страпелька

Напомню, что слово «коллайдер» происходит от английского слова «collide» со значением «сталкиваться». Действительно, этот ускоритель частиц рождает новые частицы, получающиеся при столкновениях других элементарных частиц. Экзотичность этих частиц и (в принципе) материи, образующейся в коллайдере, теоретически не ограничена ничем кроме энергии столкновения (измеряется в гигаэлектронвольтах, ГэВ) – а свойства этой материи могут быть разнообразными вплоть до непредсказуемости.

Еще в 2008 году вышел обширный научный отчет ^[6] под названием «Review of the safety of LHC collisions» (Обзор факторов, связанных с опасностью столкновений в БАК). В этом документе рассмотрено, чем столкновения частиц в коллайдере отличаются от взаимодействий частиц в космических лучах, и, в частности, почему в подобном ускорителе не должны возникать макроскопические черные дыры и страпельки.

Страпелька — объект до сих пор не обнаруженный, но настолько интересный и потенциально фатальный, что здесь я расскажу о нем подробнее. Страпелька – это образец «странной материи». Вот как рассказано о странной материи в рассматриваемом источнике:

Обычная материя, из которой состоим мы, а также все наблюдаемые объекты во Вселенной, слагается из двух самых легких видов кварков – верхних (up) и нижних (down). Более тяжелые и нестабильные кварки были открыты при столкновениях частиц в космических лучах, а также в ускорителях частиц, причем, самый легкий кварк из этой второй категории называется странным (strange). Частицы, содержащие странные кварки, синтезируются в лабораториях уже не одно десятилетие. Такие частицы распадаются за время порядка наносекунд или менее. Столь малые сроки жизни обусловлены слабым взаимодействием, также лежащим в основе явления радиоактивности. Также удавалось наблюдать нестабильные частицы, содержащие два или три странных кварка. Было продемонстрировано, что частицы, содержащие один странный кварк, могут связываться с обычной материей, образуя так называемые «гипероны ^[19]», которые, опять же, распадаются в пределах нескольких наносекунд.

Таким образом, странная квантовая материя – гипотетическое состояние вещества, в котором количество верхних, нижних и странных кварков примерно равно. Гипотетические микросгустки, состоящие только из странных кварков и имеющие массы, сравнимые с массой нуклонов, принято называть «страпельками» («странными капельками»). Если страпельки и существуют, то сроки их жизни, вероятно, также не превышают порядка наносекунды.

Чрезвычайная опасность страпельки заключается в том, что, вступив в контакт с обычной материей, она может спровоцировать превращение всех окружающих ее кварков в странные и, соответственно, лавинообразный переход всей материи в странную. Таким образом, страпелька напоминала бы воннегутовский лед-девять ^[20].

К настоящему времени никаких доказательств существования страпельки не зафиксировано. Страпельки не удалось ^[21] найти в лунном грунте, где они могли бы присутствовать в следовых количествах как результат бомбардировки космическими лучами. В принципе предполагается, что страпельку можно получить слиянием гиперонов или дистилляцией кварк-глюонной плазмы.

Предполагается ^[22], что странная материя может существовать как раз в нейтронных звездах. Запредельное давление в недрах этих объектов располагает к тому, чтобы нейтроны распадались на отдельные кварки. Поскольку нейтроны не являются подлинно элементарными частицами, а кварки, напротив, являются – возможно, что именно кварковая материя является идеальным и абсолютно устойчивым состоянием вещества. В принципе, все звезды, которые мы считаем нейтронными, могут оказаться «странными» - состоящими из свободных кварков, прикрытых тонкой коркой нейтронов, а еще выше – слоем из обычных атомов железа и кремния. 

Существует объективный способ дистанционно отличить подлинно странную звезду от нейтронной. Согласно теоретическому сравнению свойств нейтронных и странных звезд, которое систематизировано в таблице 1 здесь ^[23], энергия на барион у нейтронной звезды должна составлять более 930 МэВ, а у странной звезды быть примерно равной или меньшей 930 МэВ. Таким образом, если в ядре звезды началось спонтанное превращение обычной материи в странную, эта звезда должна постепенно остывать и казаться холодной на фоне аналогичных звезд (в частности, пульсаров). Остывание звезды должно происходить в том числе и потому, что энергия тратится на преобразование материи из обычной в странную.

На этой ^[24] иллюстрации приведены тепловые карты трех типичных пульсаров (сверху) и пульсара 3C58 ^[25] (снизу). Его расчетная температура должна составлять около 1,5 млн градусов Цельсия, но не дотягивает и до 1 млн. Такая аномалия может объясняться образованием странной материи в недрах 3C58.

Также существуют интересные предположения о способах поиска странных планет ^[26]. Если планета обращалась вокруг пульсара (или странного белого карлика), и пульсар успел превратиться в странную звезду, а потом ближнюю планету зацепило страпельками от этой звезды, которая еще недавно была нейтронной, то вся планета вскоре превратится в странную материю. При этом радикально возрастет плотность такой планеты. Если плотность золота равна 19,3 г/см³, а средняя плотность обычной каменной планеты (с учетом исключительной плотности ядра) – не более 30 г/см³, то плотность планеты из странной материи может достигать 400 000 000 000 000 (четыреста триллионов) г/см³. Вследствие этого такие планеты должны быть намного компактнее известных нам экзопланет. Кроме того, подобная материя была бы гораздо устойчивее к гравитационному воздействию звезды, и орбита такой планеты могла бы пролегать в непосредственной близости от пульсара – но планета при этом бы не разрушалась. Обычная планета может занять орбиту не ближе 560 000 км от звезды, прежде, чем будет разорвана, тогда как странная планета могла бы приблизиться к небольшой звезде на 20-25 километров. В 2019 году вышла статья ^[27] китайских ученых, посвященная поиску таких объектов-кандидатов, обращающихся вокруг пульсаров и белых карликов. Приведу здесь таблицу 3 из упомянутой работы.

Заряд и стабильность странной материи

Остается без ответа и вопрос о том, каков электрический заряд страпельки — положительный или отрицательный. В исследованиях конца XX века указывалось, что в больших объемах странная материя должна обладать отрицательным зарядом ^[28] при конечной температуре, что объясняется взаимодействиями глюонов. Но страпельки среднего размера, образующиеся в поверхностном слое странной материи, могут иметь небольшой положительный заряд ^[29]. Положительный заряд страпельки может сохраняться, пока ее барионное число находится в пределах 10² – 10¹⁸.

Катастрофические эффекты, связанные с неограниченным ростом страпельки, могут возникать именно при отрицательном заряде страпельки, поскольку в таком случае она начала бы поглощать положительно заряженные протоны. Но, поскольку наиболее вероятно, что страпелька заряжена положительно, а странная звезда – отрицательно, реалистичным представляется следующий сценарий ^[30]: превращению ядерной материи в кварковую препятствует кулоновский барьер электрона, равный 9 МэВ и достаточный, чтобы положительно заряженная страпелька не вошла в контакт с обычной материей. Именно в недрах нейтронных звезд это ограничение не действует, так как там отсутствуют электроны, и условия (среда, состоящая из нейтронов + огромное давление) располагают к переходу обычной материи в кварковый суп и далее в странную материю по мере накопления в ней странных кварков.

Заключение

Завершая эту статью, отмечу, что совсем недавно (2019-2020 годы) было доказано, что обычная материя активно взаимодействует со странной, то есть, в лабораторных условиях можно получать не только гипероны, но и гибридные ядра, в состав которых входят протоны, нейтроны и гиперон. В 2012 году был обнаружен гиперводород ^[31], теоретически предсказанный в 1964 году. Ядро этого элемента состоит из четырех нейтронов, одного протона и лямбда-гиперона. Также были получены ядра гипертритона ^[32] – модифицированного трития. В таком ядре вместо протона и трех нейтронов содержится протон, два нейтрона и лямбда-гиперон. Возможно, ядерные реакции именно такого рода возможны между обычными ядрами и материей из недр нейтронной звезды. Таким образом, остается вероятность, что удастся не только обнаружить, но и искусственно получить, и безопасно исследовать материю, состоящую только из странных кварков – а затем сделать выводы о том, что именно происходит внутри нейтронных звезд, и почему остывают пульсары.      

Автор: OlegSivchenko

Источник ^[33]