Как известно, из-за продолжающейся эпидемии затягивается ремонт и откладывается запуск Большого Адронного Коллайдера. Еще не так давно, в середине 2010-х, работа этого грандиозного ускорителя частиц позволившего в 2012 году обнаружить бозон Хиггса и достроить Стандартную модель, могла сравниться по масштабу только с открытием гравитационных волн. 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, 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. Кроме того, коллаборация LIGO, впервые зафиксировавшая гравитационные волны при столкновении двух черных дыр, также открыла и события другого рода: столкновения нейтронных звезд 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. 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» 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». 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. 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, как невозможно получить магнит с одним полюсом. Явление неразрывной связи между кварками, проиллюстрированное ниже, называется «конфайнмент» (дословно: «удержание» 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 (книга Сергея Попова с аналогичным подзаголовком – один из наиболее интересных русскоязычных текстов о нейтронных звездах). Первыми из нейтронных звезд были открыты пульсары – это звезды, испускающие периодические импульсы в радиодиапазоне. Впервые пульсары были обнаружены в 1967 году и даже приняты за источники радиосигналов внеземного происхождения.
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» 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 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 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», 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.
К настоящему времени никаких доказательств существования страпельки не зафиксировано. Страпельки не удалось 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, 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, 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 иллюстрации приведены тепловые карты нескольких трех типичных пульсаров (сверху) и пульсара 3C58 (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. 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 ее орбита 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 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 при конечной температуре, что объясняется взаимодействиями глюонов. Но страпельки среднего размера, образующиеся в поверхностном слое странной материи, могут иметь небольшой положительный заряд. 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: 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, теоретически предсказанный в 1964 году. Ядро этого элемента состоит из четырех нейтронов, одного протона и лямбда-гиперона. Также были получены ядра гипертритона – 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.
