Книга Бытия. Общая история происхождения

Ультрарелятивистское ядро напоминает тонкий сплющенный диск. Согласно теории относительности, все его размеры в направлении движения глюонов и кварков сокращаются, а масса с ростом скорости увеличивается, поэтому локальная плотность ядерной материи в этом диске оказывается очень большой. При столкновении двух дисков из движущихся навстречу друг другу пучков происходит центральный удар, они налетают друг на друга, как говорится, лоб в лоб, но при этом получается суперпозиция сотен индивидуальных столкновений. В сердце удара развивается такая высокая температура, что на какую-то долю секунды оказавшиеся там кварки и глюоны расплавляются, образуя капельку этой самой первичной жидкости, кварк-глюонной плазмы.

Энергия современных ускорителей так высока, что в лаборатории воспроизводится Большой взрыв в миниатюре. Бесконечно малый объем, где происходит это событие, быстро расширяется при высокой температуре, и через мгновение образовавшаяся жидкость теряет свои характеристики, уступая место струям известных элементарных частиц. Но свойства этих вторичных продуктов, излучаемых из центра столкновения, дают возможность восстановить особые свойства сверхтекучей жидкости.

Протон – это навсегда

Еще через микросекунду температура становится меньше критической – необходимой для выживания кварк-глюонной плазмы. В этот момент во Вселенной обитает огромное изобилие фотонов, повсюду носятся кварки и лептоны вместе с глюонами, и в то же время бозоны W и Z, став массивными, резко сокращают радиус действия.

Мало-помалу Вселенная охлаждается, взаимодействия, переносимые глюонами, становятся все сильнее, и в конце концов каждый глюон прицепляется к какому-нибудь кварку и исчезает из виду, а материя начинает собираться в более тяжелые комки, получившие название адронов (от греческого “сильный”, то есть составленный из кварков и потому участвующий в сильных взаимодействиях). Первые попытки создать стабильную материю кончаются неудачей: рождаются пары кварка и антикварка, удерживаемые вместе глюонами, но связи эти недолговечны и нестабильны – кварк и антикварк скоро расстаются. Дело складывается намного лучше, если союз устроен сложнее и в него входят три кварка.

Новая конфигурация сразу оказывается значительно более перспективной. Триплет кварков, удерживаемых вместе мотающимися между ними глюонами, как будто специально создан надолго. Но в действительности, если в триплетах участвуют кварки потяжелее, то дела идут ненамного лучше. На какое-то мгновение кажется, что все надежно, но потом и они демонстрируют признаки нестабильности и вскоре после этого, при дальнейшем понижении температуры, распадаются, украшенные небольшими фейерверками.

По-настоящему удивительные вещи происходят, когда организуются триплеты самых легких кварков. Это первое семейство, состоящее из кварка up, u, и кварка down, d.

Они не только самые легкие, но и самые неприметные, поскольку слабее других связаны с полем Хиггса: они тяжелее только очень легких лептонов. Гигантские t-кварки, в тысячи раз более тяжелые, тоже появляются, но им не удается собрать воедино ничего стабильного. А самые маленькие, напротив, успешно справляются там, где их громоздкие братья терпят сокрушительное фиаско.

Рождающаяся архитектура обладает простотой гениальных решений, подобно трехногому столу, который всегда в равновесии и никогда не шатается. Два кварка up с зарядами +2/3 каждый и один кварк down с зарядом –1/3 в сумме дают ровно +1 – это протон.

Новое образование прямо-таки архетипически стабильно, его архитектура идеально подходит для того, чтобы сохраниться навечно. Комплект из трех кружащихся кварков, увязших в патоке переносимого глюонами сильного взаимодействия, превращается в неприступную крепость. Несмотря на легкость своих элементарных компонентов, его масса вполне солидна – почти 1 ГэВ, ее создает поле сильного взаимодействия, удерживающее все это вместе. Три самых легких кварка крепко связаны, и энергия связи значительно превосходит их суммарную массу. Это “сильный клей”, который обеспечивает сохранность протона и в котором прячется тайна его массы, доставляющая ему таким образом его легендарную стабильность.

По мере охлаждения Вселенной ее энергия становится значительно ниже той, что связывает протон воедино, и поэтому становится все труднее и труднее его разрушить. Это еще может получиться, если разогнать протоны до ультрарелятивистских скоростей в космических катастрофах или если они отправятся путешествовать в пространстве в космических лучах высоких энергий. В тот момент, когда они сталкиваются с другими частицами, они вступают в те же разрушительные для них реакции, в какие их могут вовлечь земляне с помощью своих ускорителей. Но все это очень редкие события. В подавляющем большинстве случаев три легких кварка, погруженные в море сцепленных с ними глюонов, будут стойко переживать все изменения, испытываемые Вселенной на протяжении миллиардов лет.