Ученые хотели засекретить открытие «кваркового синтеза»
На изображении ниже можно увидеть грибное облако от взрыва Айви Майк в 1952 году, первой бомбы термоядерного синтеза, которую когда-либо взрывали. В процессе синтеза и деления ядер выделяется колоссальная энергия, благодаря которой мы сегодня до дрожи боимся ядерного оружия. На днях стало известно, что физики обнаружили еще более энергетически мощную субатомную реакцию, чем термоядерный синтез, которая протекает в масштабах кварков. К счастью, похоже, она не особо приспособлена для создания оружия.
Когда пара физиков заявила об открытии мощнейшего субатомного процесса, стало известно, что ученые хотели засекретить открытие, поскольку оно могло быть чересчур опасным для публики.
Был ли взрыв? Ученые показали, что две крошечные частицы, известные как нижние кварки, теоретически могут сливаться в мощной вспышке. Результат: большая субатомная частица, известная как нуклон, и куча энергии выплескиваются во вселенную. Этот «кварковый взрыв» мог бы стать еще более мощным субатомным аналогом термоядерных реакций, которые протекают в ядрах водородных бомб.
Кварки — это крошечные частицы, которые цепляются друг за друга, образуя нейтроны и протоны внутри атомов. Они бывают шести версий, или «ароматов»: верхний, нижний, очарованный, странный, самый верхний (истинный) и самый нижний (прелестный).
Энергетические события на субатомном уровне измеряются в мегаэлектронвольтах (МэВ), и когда два самых нижних кварка сливаются, физики обнаружили, что те выдают колоссальные 138 МэВ. Это примерно в восемь раз сильнее, чем отдельное ядерное слияние, которое происходит в водородных бомбах (полномасштабный взрыв бомбы состоит из миллиардов подобных событий). Водородные бомбы синтезируют вместе крошечные ядра водорода — дейтерий и тритий — с образованием ядер гелия и мощнейшего взрыва. Но каждая из отдельных реакций внутри такой бомбы высвобождает лишь 18 МэВ, по данным Nuclear Weapon Archive. Это намного меньше, чем при синтезе самых нижних кварков — 138 МэВ.
«Должен признаться, когда я впервые осознал, что такая реакция возможна, я испугался», говорит один из ученых Марек Карлайнер из Университета Тель-Авива в Израиле. «К счастью, все оказалось не так страшно».
При всей мощности реакций синтеза, отдельная реакция не так уж и опасна. Водородные бомбы извлекают свою ужасающую мощь из цепных реакций — каскадных слияний множества ядер одномоментно.
Карлайнер и Джонатан Рознер из Чикагского университета определили, что такая цепная реакция будет невозможна с участием прелестных кварков, и перед публикацией разделили свои опасения с коллегами, которые согласились с их выводом.
«Если бы я хотя бы на микросекунду задумался о том, что у такого процесса может быть военное применение, я бы не написал о нем», говорит Карлайнер.
Для запуска цепной реакции производителям ядерных бомб нужны внушительные запасы частиц. Важным свойством прелестных кварков является то, что их невозможно собрать в запасы: они перестают существовать спустя одну пикосекунду после создания, а за это время свет может пройти лишь половину длины гранулы соли. По истечении этого времени прелестный кварк распадается на более распространенный и менее энергетичный тип субатомной частицы — верхний кварк.
Можно создать отдельные реакции синтеза прелестных кварков в километровой трубе ускорителя частиц, говорит ученые. Но даже внутри ускорителя невозможно накопить достаточно большую массу кварков, чтобы нанести миру какой-либо ущерб. Поэтому переживать не о чем.
Само же открытие невероятно, потому что стало первым теоретическим доказательством того, что субатомные частицы можно синтезировать с выпуском энергии, говорит Карлайнер. Это совершенно новая территория в физике мельчайших частиц, которая открылась благодаря эксперименту на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН.
Вот как физики пришли к этому открытию.
В ЦЕРН частицы мчатся по 27-километровому кольцу под землей на скорости света, а потом сталкиваются. Затем ученые используют мощные компьютеры для просеивания данных этих столкновений, и в этих данных иногда возникают странные частицы. В июне, например, в данных показался «двукратно очарованный» барион, или громоздкий кузен нейтрона и протона, состоящий из двух кузенов «прелестного» и «верхнего» кварков — «очарованных» кварков.
Очарованные кварки очень тяжелые по сравнению с более распространенными верхними и нижними кварками, составляющими протоны и нейтроны. И когда тяжелые частицы связываются друг с другом, они преобразуют большой кусок своей массы в энергию связи, а в некоторых случаях и оставляют энергию, которая улетучивается во вселенную.
Карлайнер и Рознер выяснили, что когда два очарованных кварка сливаются, частицы связываются с энергией порядка 130 МэВ и выбрасывают 12 МэВ оставшейся энергии. Это слияние очарованных кварков было первой реакцией частиц такого масштаба, при которой была испущена энергия. Она и стала главным тезисом нового исследования, опубликованного 1 ноября в журнале Nature.
Еще более энергичное слияние двух прелестных кварков, которые связываются с энергией 280 МэВ и выбрасывают 138 МэВ при слиянии, стало второй и более мощной из двух обнаруженных реакций. Пока они остаются теоретическими и недоказанными в экспериментальных условиях. Следующий шаг вскоре последует. Карлайнер надеется, что первые эксперименты, демонстрирующие эту реакцию, будут проведены в ЦЕРН в течение следующих нескольких лет.