Бесспорно, XX век стал веком физики. Развитие радио, создание телевидения, освоение атомной энергии, полёты в космос, лазеры, интернет и многое другое качественно изменили жизнь человека. Помимо материальных благ, учёным удалось создать современную картину мира, найти элементарные «кирпичики» материи — кварки, глюоны, нейтрино…
Дополнить эту картину поможет учёным коллайдер NICA Лаборатории физики высоких энергий имени В.И. Векслера и А.М. Балдина Объединённого института ядерных исследований в городе Дубна Московской области: он поможет узнать больше о первых этапах эволюции нашей Вселенной.
Теория Большого Взрыва
А почему учёные вообще решили, что у Вселенной было начало?
Современные представления о пространстве, времени, и, соответственно, Вселенной можно отсчитывать от создания в 1905 году физиком-теоретиком Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности. В 1916 году она была развита до общей теории относительности. В 20-х годах ХХ века советский физик и математик Александр Фридман показал, что Вселенная может изменяться в пространстве: сжиматься или расширяться. Позже это подтверждали исследования других учёных.
Теоретические модели в совокупности с экспериментальными данными привели к важному выводу, что в начальный момент времени вся материя Вселенной была сосредоточена в некотором небольшом объёме, а причиной расширения явился некий условный взрыв. В 1948 году другой физик-теоретик, астрофизик и популяризатор науки Георгий Гамов предположил, что в космосе должны были остаться следы взрыва, приведшего к рождению Вселенной. Позже в космосе обнаружили излучение, которое называется реликтовым (его предсказывал Гамов). Название излучению дал советский астроном, астрофизик Иосиф Шкловский.
Так, учёные пришли к выводу, что у Вселенной было начало, отправную точку назвали Большим Взрывом. Такой вывод породил новую цепочку вопросов: что происходило в первые моменты зарождения Вселенной? Из чего она состояла?
Устройство материи
По современным представлениям учёных, Вселенная образована из обычной материи, тёмной материи и тёмной энергии. Обычную материю также называют барионной, она состоит из атомов. Атомы — из ядра и электронов. Атомные ядра, в свою очередь, образуются из протонов и нейтронов, а те — из кварков и глюонов. Несмотря на то, что кварки и глюоны называют «кирпичиками» материи, они окружают нас лишь в «зацементированном» состоянии. В ядре кварки связаны самой большой фундаментальной физической силой — сильного взаимодействия. И даже если исследователи создадут условия для отрыва кварка, получить его в свободном состоянии всё равно не удастся, так как в результате такой манипуляции он аннигилирует, то есть превратится в иную частицу, отличную от исходной - протон или пи-мезон.
Эволюция Вселенной
Теоретически в ранней Вселенной, примерно через одну миллионную долю секунды после Большого взрыва, существовали такие огромные температуры и плотности материи, что кварки и глюоны находились в свободном состоянии и образовывали особое состояние вещества — кварк-глюонную плазму.
Впоследствии при расширении и охлаждении Вселенной кварки из этой плазмы группировались по два или три, образуя мезоны, протоны, нейтроны. Составные частицы, подверженные сильному взаимодействию, называют адронами, а трансформацию свободных кварков — фазовым переходом от кварк-глюонной плазмы к адронной материи.
Через 380 000 лет после Большого взрыва электроны и протоны соединились в лёгкие атомы водорода и испустили реликтовые фотоны. Поскольку к тому моменту большинство протонов и электронов уже объединились в ядра водорода, реликтовые фотоны ни с чем не взаимодействовали в пространстве космоса. Сейчас, наблюдая и исследуя именно реликтовое излучение при помощи астрономического оборудования, мы пытаемся воссоздать эволюцию Вселенной. Но исследование реликтового излучения не позволит нам получить информацию о самых ранних этапах зарождения Вселенной. Для этого нам нужно воссоздать кварк-глюонную плазму, и для этого учёные придумали использовать специальные установки — ускорители заряженных частиц.
Частицы и античастицы
Вопрос фазового перехода от кварк-глюонной плазмы к адронной материи волнует учёных не только с точки зрения выяснения физических параметров, при которых этот переход происходит. Дело в том, что фундаментальные составляющие материи встречаются парами: для каждой частицы существует античастица (например, электрон — позитрон). Частицу и её античастицу часто открывали одновременно, когда обе они рождались парой в результате столкновения частиц в ускорителе. Исходя из лабораторных экспериментов, законы физики с равной вероятностью допускают образование как материи, так и антиматерии. Но в окружающем нас мире антиматерия почти никогда не встречается. Атомы, образующие Землю, состоят из нейтронов, протонов и электронов, но никогда из их античастиц. Изучая фазовый переход, учёные стремятся ответить на вопрос, почему и когда возникли условия асимметрии материи и антиматерии во Вселенной?
Как это работает?
Скорее всего, вы хотя бы раз в жизни слышали какое-то слово из ряда: синхротрон, нуклотрон, циклотрон, коллайдер. Всё это — ускорители. Какие-то из них используют, например, лишь один пучок электронов, другие, интересующие нас — коллайдеры, раскручивают в противоположных направлениях и сталкивают два пучка электронов, протонов или тяжёлых ионов.
Условия для возникновения кварк-глюонной плазмы возможно создать при помощи столкновения атомных ядер, движущихся с огромными скоростями и энергиями. Именно здесь на помощь приходят коллайдеры. Их в мире на данный момент несколько, и каждый выполняет свои задачи.
Характеристики коллайдера NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) в Дубне позволят создать нужные скорости и энергии частиц, чтобы получить смешанную фазу из свободных кварков, глюонов и атомных ядер. В таких условиях учёные смогут детальнее исследовать фазовый переход, произошедший на ранних стадиях эволюции Вселенной.
На какой стадии сейчас проект коллайдера?
Пучки сталкиваются в одной из важнейших секций коллайдера — MPD. Аббревиатура образована от английского Multi Purpose Detector, то есть многофункциональный детектор. Он регистрирует и анализирует тип частиц, образующихся при столкновении пучков, восстанавливает траекторию их движения. Линии магнитного поля внутри детектора должны быть очень «ровными», иначе невозможно будет обеспечить достаточную точность анализа происходящих процессов. Поэтому один из главных элементов детектора — криостат со сверхпроводящим соленоидом внутри. Соленоид представляет собой огромный магнитопровод, который будет обеспечивать однородное магнитное поле, точно ориентированное в детекторе.
13 июня 2024 года был произведён технологический пуск установки, после чего на соленоид и другие системы магнитов коллайдера был подан ток. Это важное событие, которое показывает надёжность работы систем установки и приближает учёных к её физическому пуску, а значит, новым экспериментам и открытиям.
На вопрос ответила старший научный сотрудник Политехнического музея Майя Коршунова. Если у вас тоже есть вопросы, связанные с устройством мира или человека, вы можете задать их в комментариях или в письме по адресу question@polytech.one
