Странные частицы, из которых сделана вся Вселенная

Давай на секунду остановимся и задумаемся.

Всё, что ты видишь, трогаешь, нюхаешь — экран телефона, чашка кофе, твои руки — это на 99% пустота. Между частицами, из которых всё состоит, плещется гигантское ничто. Казалось бы, именно эти частицы и создают массу всего вокруг. Но нет.

Вся эта мелочь — кварки, электроны — составляет всего-то около одного процента массы любого предмета. Остальное висит в воздухе, если можно так выразиться. И создаётся это «остальное» кое-чем, о чём нам толком не рассказывали ни в школе, ни дома.

Знакомься: глюоны.

Что за звери эти глюоны?

Глюоны — это такие частицы-переносчики. Они работают «клеем» для кварков внутри протонов и нейтронов. Название идёт от английского glue, что значит как раз клей. Никакой романтики, чистая механика.

Кварки летают внутри протонов и нейтронов, а глюоны их удерживают вместе. Это часть так называемого сильного взаимодействия — одной из четырёх фундаментальных сил во Вселенной.

И вот недавно физики из CERN, работающие на установке ALICE, обнаружили нечто странное. Эти глюоны ведут себя... не так, как должны.

Как учёные вообще на это смотрят

Чтобы разглядеть что-то на сверхмалых масштабах, нужен мощный микроскоп. Учёные превратили Большой адронный коллайдер в этакий рентгеновский аппарат для атомных ядер.

Они разогнали ядра свинца до околосветовых скоростей и заставили их пролетать рядом друг с другом — не лоб в лоб, а совсем чуть-чуть промахнувшись. В этот момент электромагнитные поля вокруг ядер становятся настолько интенсивными, что начинают работать как мощнейшие пучки фотонов.

Когда такой «виртуальный фотон» врезается в ядро, на долю секунды там рождается частица под названием J/ψ. Этот процесс — как тень, которую отбрасывает невидимый объект. По этой «тени» учёные восстанавливают картину распределения глюонов внутри.

Разрешение, которого они достигли, поражает воображение. Если протон увеличить до размеров стадиона, они способны разглядеть детали размером в пару метров. Буквально — как с орбиты разглядеть бейсбольный мяч.

Почему тебе стоит об этом знать

Вот что меня по-настоящему зацепило, когда я это читал. Цитирую:

«Хотя кварки часто называют фундаментальными строительными блоками материи, почти вся масса видимой Вселенной — от атомов в нашем теле до вещества внутри звёзд — на самом деле происходит от энергии глюонов и сильного взаимодействия».

Почти вся масса. Даже не один раз, а подумай над этим.

Те атомы, из которых ты состоишь. Звёзды на ночном небе. Стул, на котором ты сидишь. Масса всего этого — заслуга не самих частиц, а энергии связывающих их глюонов.

Получается, что понять глюоны — значит понять, почему вообще что-то имеет вес.

Что они там нашли

И вот тут начинается самое интересное.

На сверхмалых масштабах — около 0.2 фемтометра — образование J/ψ частиц неожиданно снизилось. Само по себе это не странно. Странно то, насколько сильно снизилось.

Учёные говорят о трёх сигма — это значит, что вероятность случайности составляет всего 0.3 процента. В науке это уже серьёзный аргумент.

Это открытие ставит под вопрос привычную модель «ядерного экранирования». По этой теории, глюоны внутри ядра должны вести себя определённым образом. Но результаты эксперимента не сходятся с прогнозами.

Зато они отлично ложатся на гипотезу о насыщении глюонов. Представь, что глюонов внутри ядра становится так много, что они начинают вести себя коллективно — как молекулы в толпе, а не как отдельные частицы.

Теория «горячих точек»

Исследователи во главе с Даниэлем Тапиа Такоки из Канзасского университета пошли дальше. Они разработали модель, в которой глюоны формируют плотные сгустки — «горячие точки».

Эти точки — не статичные образования. Они меняют своё поведение в зависимости от энергии столкновений. И динамика этих изменений может указывать на совершенно новую физику сильного взаимодействия.

Если совсем упростить: учёные долго подозревали, что на определённых масштабах есть «стена», за которой скрывается что-то непонятное. Теперь они получают первые намёки на то, что именно за этой стеной может находиться.

Зачем нам это нужно

Честно говоря, физика частиц — штука далёкая от повседневной жизни. Но вот в чём фишка.

Мы изучаем элементарные частицы не просто так. Мы пытаемся понять фундаментальную природу реальности. Каждый раз, когда мы заглядываем глубже и находим что-то новое, мы добавляем кусочек в общую картину мироздания.

Плюс — история показывает, что фундаментальные исследования всегда приносят неожиданные плоды. Технологии, разработанные для Большого адронного коллайдера, уже применяются в медицинской визуализации, вычислениях и материаловедении.

Это исследование дало нам самую чёткую «фотографию» глюонного ландшафта за всю историю. И на этой фотографии мир внутри атомных ядер оказался сложнее и динамичнее, чем предсказывали наши лучшие модели.

Это не провал — это приглашение.

Так что в следующий раз, когда будешь держать в руках телефон или смотреть на закат, вспомни про глюоны. Эти частицы-невидимки проделывают колоссальную работу, удерживая всё вокруг тебя от распада. И, оказывается, ведут они себя гораздо интереснее, чем мы думали.