Коллайдер в ЦЕРНе и вероятность "Железной катастрофы Земли"

Внимание!

 

Все изложенное ниже имеет статус «интуитивного суждения»

и не имеет строгих теоретических и экспериментальных доказательств, хотя и основываются на оных.

 

 

        Рассматривается новый опасный фактор, который может предшествовать образованию в Коллайдерах черных микродыр, страпелек, магнитных монополей и других - вероятность превращения нашей Земли в "железную планету" или поток железных астероидов и метеоритов. Если исходить только из реальных экспериментальных фактов и теоретически обоснованных положений:



1)   кварк-глюонная плазма – уже экспериментальный факт;

2)   зависимость энергии связи, приходящейся на один нуклон, от числа нуклонов в ядре – экспериментально и теоретически достоверна, можно утверждать: что уже сейчас созданы технические условия для неконтролируемого преобразования всех химических элементов в элементы группы Fe-Ni-Co, с катастрофическими последствиями для Земли.

«Громадность, сложность и глубина задач проекта LHC (БАК - Большой Адронный Коллайдер) вызывают восхищение и благоговейный трепет у большинства людей, узнавших о нём. Тем не менее, как вне научного сообщества, так и в нём самом время от времени возникают сомнения, опасения и даже страхи по поводу чего-либо, связанного с Большой наукой. Таким образом, вопрос стоит так: «Должно ли общество оказывать поддержку крупным научно-исследовательским проектам в области фундаментальных наук?»
Джан Франческо Джудиче [1]
ЦЕРН, Женева, Швейцария

      Специальная рабочая группа, созданная CERN для оценки безопасности намеченных экспериментов в составе: Джон Эллис, Джан Джудиче, Микеланджело Мангано, Игорь Ткачев и Урс Видеманн (все работают в CERN), представила отчет, в котором утверждается, что Большой адронный коллайдер опасности не представляет. Были рассмотрены различные опасения [2,3]:



Опасение 1:    в результате высокоэнергетичных столкновений частиц возникнет микроскопическая черная дыра, которая будет поглощать материю.



Опасение 2:    возникнут страпельки – «странные капельки» (англ. strangelets), состоящие из странной материи, условно говоря, свободных кварков (верхних, нижних и странных), не объединенных в протоны и нейтроны. Страпельки могут вызвать цепную реакцию превращения атомов в странную материю, что полностью уничтожит материю обычную.

Опасение 3:    возникнет магнитный монополь – гипотетический объект, который можно описать примерно как полюс магнита,существующий без другого полюса магнита. Присутствие монополя предположительно может спровоцировать распад протонов, то есть материи в целом.

      Есть и другие еще более экзотические опасения. Важным универсальным аргументом против этих и других опасений доказывающим безопасность его экспериментов, по мнению CERN, является само существование Земли. Наша планета постоянно подвергается воздействию космических лучей, энергии которых не уступают уровню коллайдеру, а то и превосходят их, – и до сих пор она не уничтожена ни страпельками, ни черной дырой, ни магнитным монополем, ни чем-либо еще. Вообще Космический аргумент является доминирующим.

     Такое развитие событий может произойти при неконтролируемом образовании кварк-глюонной плазмы в условиях эксперимента CERN, которое может привести к практически полному необратимому превращению всей материи Земли в элементы триады железа (железо, кобальт, никель). При образовании кварк-глюонной плазмы любое вещество будет превращаться в облако элементарных частиц, которое будет конденсироваться в наиболее энергетически выгодное состояние – элементы триады железа, обладающие наибольшими значениями энергиями связи нуклонов в ядре. При этом выделяющаяся энергия будет поддерживать этот процесс до полного превращения всех химических элементов материи до элементов триады железа (см.далее).

      Совершенно не рассматривается другой опасный фактор, который может предшествовать образованию "чёрной микродыры", страпелек, магнитного монополя и других (самых экзотических- «истинный вакуум» или просто фантастических- «машина времени» [4]) - вероятность превращения нашей Земли в "железную планету" или поток железных астероидов и метеоритов!

     Может создаться впечатление, что специально отвлекают внимание от самого реального опасного фактора, который уже непосредственно стоит у нашего порога, когда как другие всего лишь очень гипотетические и легко отвергаются обычным «здравым смыслом», хотя, конечно, тоже должны быть тщательно и непредубежденно рассмотрены.

        Итак, попробуем объяснить потенциальную угрозу. Будем исходить только из реальных экспериментальных фактов и теоретически обоснованных положений.

     В настоящее время известно множество экзотермических ядерных реакций, высвобождающих ядерную энергию.

        Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония-239. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.
        Другим способом высвобождения ядерной энергии является термоядерный синтез. При этом два ядра лёгких элементов соединяются в одно тяжёлое.
        Энергия, которая требуется, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, неодинакова для разных химических элементов и, даже, изотопов одного и того же химического элемента. 

 Удельная энергия связи нуклона в ядре колеблется, в среднем, в пределах от 1 МэВ у лёгких ядер (дейтерий) до 8,6 МэВ, у ядер среднего веса (А≈100). У тяжёлых ядер (А≈200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер среднего веса, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение лёгких ядер в более тяжёлые ядра даёт ещё больший энергетический выигрыш в расчёте на нуклон. Так, например, реакция соединения дейтерия и трития:

сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ, то есть 3,5 МэВ на нуклон [5]. Зависимость энергии связи, приходящейся на один нуклон, от числа нуклонов в ядре приведена на рисунке 1 [5].

Рис.1. Зависимость удельной энергии связи (приходящейся на один нуклон) от числа нуклонов в ядре [5]

        Как видно из рисунка 1, зависимость энергии связи на один нуклон от числа нуклонов проходит через максимум. Для нуклидов с А около 60, т.е. для группы элементов Fe-Co-Ni, энергия связи на нуклон имеет максимальные значения. Так что для всех элементов левее группы Fe-Co-Ni в той или иной степени выгодны реакции синтеза, а для элементов находящихся справа энергетически предпочтительны реакции деления.

      Существует точка зрения, что вещество Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва находилось в состоянии так называемой кварк-глюонной плазмы, т.е. в состоянии при котором адронное вещество находится в состоянии, аналогичное состоянию, в котором находятся электроны и ионы в обычной плазме. Сейчас кварк-глюонная плазма может на короткое время образовываться при соударениях частиц очень высоких энергий, что было экспериментально подтверждено [6,7].

        Считается, что первые экспериментальные результаты, касающиеся кварк-глюонной плазмы (концепция же файербола* имеет более глубокие исторические корни [8] и впервые появилась в физике космических лучей****) были получены в 1990 г. в ЦЕРНе на Супер протонном синхронтроне, СПС (SPS). Затем в 2000 г., также в ЦЕРНе было объявлено об открытия этого «нового состояния материи». Дальнейшие исследования проводились на коллайдере RHIC. Считается, что для образования кварк-глюонной плазмы необходима энергия ~3,5 ТэВ. В 2010 г было сообщено, что по предварительным данным температура плазмы составила 3,5 -4 триллиона градусов Цельсия. Работы велись при столкновении в RHIC ионов свинца и золота. 

        Коллайдер работал при энергии в центре масс ~ 33 ТэВ. В ноябре 2010 г работа с ионами свинца и получением кварк-глюонной плазмы начались на Большом адроном коллайдере(БАК-LHC). В течение первой недели была получена кварк-глюонная плазма с температурой в десятки триллионов градусов [9].

         Таким образом, в коллайдерах непрерывно повышается энергия частиц и плотность их потока, что естественно ведет к получению все более «горячей» хромоплазмы и повышению ее объема и плотности.

            Фактически речь идет о создании Кварк-Глюонного (Хромо) Плазменного Реактора (для удобства-КГПР или ХПР).

            Так что плохого в КГПР-ХПР, почему мы должны бояться его? Давайте сначала поговорим, что в нем хорошего, о плохом - потом.

            А хорошего в нем много:



1) - это мощный источник энергии, не уступающий термоядерному, при этом главное,



2) - это неисчерпаемый источник сырья, где любое вещество может быть топливом!​

      Казалось бы, уже этого достаточно, чтобы оправдать все усилия в этом направлении, но теперь поговорим о плохом! А плохое, как и хорошее всё в самой кварк-глюонной плазме (хромоплазме). На данный момент создаётся впечатление, что в ЦЕРНе думают, что смогут ею управлять. Однако, можем ли мы удержать термоядерную плазму? Вот уже пол столетия пытаемся, а в итоге что? Если обычная плазма вырывается из "ловушки", как это случалось уже бесчисленное количество раз, ничего, кроме её "затухания", не происходит. А вот если прорвется хромоплазма, достаточного объема и плотности (макрохромаплазма), может начаться неуправляемая цепная реакция на всей нашей Планете, до полного исчерпания «горючего материала»! И тогда, возможности исправить "ошибку эксперимента" уже не будет! БАК - один из первых ХПР. Хромоплазма уже получена [6,7], вопрос в том - когда достигнут критического её объема и плотности, при которых её самопроизвольный рост уже не возможно будет остановить? Многие думают, что нескоро и опасения не обоснованы, но дело в том, что нет критических параметров. Хромоплазма из первичного состояния, глазмы, порождает файербол *(история концепции в обзоре [8]), который уже сейчас может расти неограниченно [10,11,12]. В ЦЕРНе об этом ничего не говорят!

       Раз не говорят, давайте тогда, попробуем разобраться самостоятельно: уже на нескольких коллайдерах велись исследования состояния материи, называемой кварк-глюонной плазмой, где цветные кварки и глюоны, как свободные частицы, образуют непрерывную среду, называемую хромоплазмой [6,7]. Проводимость хромоплазмы аналогична электропроводимости, возникающей в электрон-ионной плазме. По современным представлениям кварк-глюонная плазма образуется при высоких температурах и/или больших плотностях адронной материи. Предполагают, что в естественных условиях эта плазма существовала в первые 10 в минус 5 степени секунды после Большого взрыва [6,7], при этом сейчас эти условия могут присутствовать в центре нейтронных звезд [6,7]. Согласно [9], переход в состояние кварк-глюконной плазмы может происходить при температуре, соответствующей кинетической энергии ~200 МэВ, что соответствует десяткам триллионов градусов.

        Как вообще рождаются частицы в столкновениях? Происходит это вовсе не одномоментно. Две встречные частицы, задев друг друга, превращаются в единый сгусток «взбудораженного» поля, в котором перемешаны кварки, антикварки и глюоны [9]. Этот комок, изначально очень горячий и очень компактный, еще не состоит из отдельных адронов — это просто смесь кварковых и глюонных полей (глазма). Однако спустя мгновение (а точнее, спустя несколько йоктосекунд) он (его часто называют «файербол» [8]) быстро расширяется, остывает и уже тогда разваливается на отдельные нуклоны и нуклиды. Что здесь очень важно? Это время существования глазмы и время роста файербола и его максимальные размеры! С глазмой все довольно понятно: несколько йоктосекунд - это 10 в минус 24 секунды, а размеры около фм (фемтометр) - это 10 в минус 15 метра - примерно размер ядра. А вот с файерболом все сложнее. Будем разбираться!



        Можно сформулировать основные выводы из проведенных в ЦЕРНе исследований [13]:

Экспериментальные данные, полученные на коллайдерах, показали, что соударение тяжелых ядер нельзя рассматривать как простую аддитивную совокупность pp-соударений.

В соударениях тяжелых ядер проявляются новые неизвестные ранее коллективные свойства кварк-глюонной среды.

Образующаяся кварк-глюонная среда по своим свойствам напоминает сверхпроводящую жидкость с малым коэффициентом вязкости.

Сравнение данных коллабораций STAR и ALICE показывает, что время существования кварк-глюонной среды (файербола), образующейся в столкновении ядер свинца коллаборации ALICE, почти в два раза превышает соответствующий результат, полученный коллаборацией STAR, и составляет довольно значительное время.

Подтверждены образование эллиптического потока и явление гашения струй в плотной кварк-глюонной среде.

     Что здесь самое важное?



1. Столкновение тяжелых ядер сложнее столкновения протонов,



2. Проявляются коллективные свойства хромоплазмы,



3. Время существования файербола может быть значительным,



4. Наблюдается явление гашения струй в хромоплазме.



        Что из этого следует? А следует то, что надо серьезно "разбираться" с файерболом! Что он может натворить, если он начнет неограниченно расти и вырвется на свободу? А что же ему может помешать? Уже сейчас заложено все возможное для его неограниченного роста, нет никаких принципиальных физических запретов, есть только пока (!!!) не очень высокая вероятность некоторых начальных стадий его роста.
        Итак, время существования файербола может быть значительным, в принципе любым по длительности - все зависит от энергии сталкивающихся ядер. Файербол расширяется со скоростью близкой к скорости света и если его не подпитывать, быстро остывает до "конденсации-кристаллизации". Чем больше энергия сталкивающихся ядер, тем больше время его жизни и значительнее достигаемые им размеры. Чем больше время жизни и размеры, тем выше вероятность поглощения новых налетающих ядер (наблюдается явление гашения струй в хромоплазме) и роста файербола. По мере его роста прогрессивно растет и вероятность его неограниченного увеличения, в принципе до стенок Коллайдера.
        Файербол неограниченно растет пока поглощает высокоэнергичные ускоренные ядра, но когда касается холодной стенки Коллайдера, казалось бы, его рост должен прекратиться из-за охлаждения и начала "конденсации-кристаллизации". «Конденсация» – это образование отдельных адронов, в том числе и нуклонов (протонов и нейтронов).
        «Кристаллизация» - это образование отдельных нуклидов (ядер) из нуклонов. Пока реально наблюдаются только простейшие нуклиды: дейтерий, тритий, гелий и их антиподы (соответствующие им антивещество: антидейтерий, антитритий и антигелий). Это понятно, т.к. среднее время жизни (сотни и тысячи йоктосекунд) файерболов (а их уже может образовываться до 8*108 в секунду) и их размеры (сотни и тысячи фм) пока очень малы и более тяжелые нуклиды не успевают образоваться. Но из этого почти миллиарда первичных файерболов, которые в Коллайдере образуются каждую секунду, для катастрофического исхода достаточно одного, выросшего до макро-размеров (возможно, даже хватит милли- или микро-размеров, чтобы файербол уже мог бы вырваться на свободу). Рост от фемто- до пико-размера может задаваться уже энергией первичного столкновения. Очень труден рост от пико- до нано-размеров, т.к. вероятность вторичных столкновений при существующей плотности потока в Коллайдере чрезвычайно мала (вероятность эта сравнима с вероятностью падения на Землю очень крупного астероида, катастрофы примерно сопоставимые, но это не должно нас успокаивать, т.к. одна природная и неуправляемая, а другая будет полностью на нашей совести), а далее рост идет лавинообразно. Как уже было отмечено – по господствующим на сегодняшний день представлениям, неограниченный рост файербола очень маловероятен, но есть и другие мнения, так например академик Фейнберг считал, что время жизни файерболов существенно занижено [8], а еще расчеты Гейзенберга** давали аномально высокие сечения их образования [14], а Ферми*** уже давно дал схему, позволяющую файерболу неограниченно расти в потоке ускорителя [15]. Были также опубликованы работы Б.Л. Иоффе [16], которые давали аномальные параметры файербола существенно отличающиеся от расчетов Л.Д. Ландау [8, 16]. Вероятность образования аномально большого файербола может оказаться существенной. Можно поставить вопрос: «Что будет при остывании долгоживущей кварк-глюонной плазмы достаточного объема и плотности (макрохромоплазмы), если она все-таки возникнет?» Все зависит от условий: или рассеивание в виде отдельных нуклонов и случайных, хаотично образованных нуклидов, с полным остыванием, или энергетически более выгодная «кристаллизация» в нуклиды группы Fe-Co-Ni [10]. Если это будет происходить, процесс станет экзотермическим, самоподдерживающимся (до этого накачка энергии обеспечивалась за счет работы Коллайдера, процесс был эндотермическим) и далее может перейти в цепной. При этом файербол по фронту распространения будет поглощать все окружающие элементы и переводить их в элементы группы Fe-Co-Ni или близкие к ним по мере остывания к центру, с продолжением неограниченного роста по фронту.
        Реакция «ожелезнения» может принять глобальный характер или близким к нему, итогом чего будет превращение нашей Земли в «железную планету» или ее раскол на отдельные астероиды и метеориты.
        Как отмечалось важным универсальным аргументом, по мнению специалистов ЦЕРНа, доказывающим безопасность его экспериментов, является само существование Земли, наша планета постоянно подвергается воздействию космических лучей, энергии которых не уступают уровню коллайдера, а то и превосходят их, – и до сих пор она не уничтожена. Но надо отметить, что есть принципиальная разница между «лобовым» столкновением и «налетом» частиц из Космоса. Космические частицы рассеивают свою колоссальную энергию в виде «ливней», в коллайдере при «лобовом» столкновении почти вся энергия используется в «целевом» направлении и в нем несравнимо выше плотность потока (светимость), что создает условия не только рождения множества файерболов, но их роста.
        Космический аргумент наоборот, очень убедительно подтверждает опасность «ожелезнения» планет. Слишком много железа в ближайшем космическом окружении Земли…[17,18]
        На протяжении года на Землю выпадает примерно 2000 метеоритов [17]. В зависимости от химического состава метеориты подразделяются на каменные хондриты (их относительное количество 85.7%), каменные ахондриты (7.1%), железные (5.7%) и железо-каменные метеориты (1.5%) [17,18].

      Хондритами называют метеориты, содержащие хондры — сферические или эллиптические образования серого цвета, часто с коричневым оттенком, обильно вкрапленные в каменную массу [17,18]. Каменные метеориты, в которых нет хондр, называются ахондритами. Анализ показал, что в хондрах содержатся практически все химические элементы [17,18].
   Железные метеориты практически полностью состоят из никелистого железа (можно предположить, что их образование шло в самом «очаге ожелезнения»). Не исключено, что железо-каменные метеориты, по всей видимости, могли образоваться во фронтальной полосе «затухающего очага ожелезнения».
        Чаще всего в метеоритах находятся следующие восемь химических элементов: железо, никель, сера, магний, кремний, алюминий, кальций и кислород. Все остальные химические элементы таблицы Менделеева находятся в метеоритах в ничтожных, микроскопических количествах. Железные метеориты почти целиком состоят из железа в соединении с никелем, а каменные метеориты - главным образом из минералов, называемых силикатами, которые состоят из соединений магния, алюминия, кальция, кремния и кислорода [18].

    Особенно интересно внутреннее строение железных метеоритов. Их отполированные поверхности становятся блестящими как зеркало. Если протравить такую поверхность слабым раствором кислоты, то обычно на ней появляется замысловатый рисунок, состоящий из переплетающихся между собой отдельных полосок и узких каемок [17,18]. На поверхностях некоторых метеоритов после травления появляются параллельные тонкие линии. Все это результат внутреннего кристаллического строения железных метеоритов.

         Не менее интересна структура каменных метеоритов. Если посмотреть на излом каменного метеорита, то часто даже невооруженным глазом можно заметить маленькие округлые шарики, рассеянные по поверхности излома. Эти шарики иногда достигают размера горошины. Кроме них, в изломе видны рассеянные мельчайшие блестящие частички белого цвета. Это - включения никелистого железа. Среди таких частичек встречаются золотистые блестки - включения минерала, состоящего из железа в соединении с серой [17,18]. Таким образом, даже каменные метеориты имеют достаточно объёмные железистые включения.

     Бывают метеориты, которые представляют собой как бы железную губку в пустотах которой заключены зерна желтовато-зеленого цвета минерала оливина [9,10].

       Стоит отметить, что 27% от всех метеоритов, хранящихся в собраниях, это железные (формально их называют сидеритами) [17,18]. При этом, крупнейшие известные метеориты это также железные, причём наибольший их всех находится в месте падения в Гоба, Намибия. Он был открыт в 1920 г. и его вес оценивается в 70 тонн. Второй по тяжести метеорит находится в Музее Естественной истории в Нью-Йорке. Он был найден в Кейп-Йорке, Гренландия, и доставлен на корабле в конце XIX века, его вес 59 тонн [17,18]. Таким образом, образование химических элементов подгруппы железа в Космосе - это рядовое событие!

     Земной аргумент, не менее убедителен. Так, в ходе эксперимента по столкновению протона и иона свинца в коллайдере обнаружили, что не все образовавшиеся частицы разлетались хаотично во все стороны [4]. Частицы группировались для движения в определённом направлении, хотя этого не ожидали.Это указывает на сложные механизмы взаимодействия частиц в хромоплазме [6], при которых проявляются её коллективные свойства.

    Очень вероятно, что взаимодействие в долгоживущем файерболе (макрохромоплазме) будет идти по энергетически самому выгодному направлению, т.е. по пути образования нуклидов именно группы Fe-Co-Ni, со всеми вытекающими последствиями [11,12]!

        В заключении хотелось отметить, что в 1760 г. математик Тициус фон Виттемберг открыл, что существует определённая закономерность в расположении планет вокруг Солнца, и он смог описать это формулой, которая предполагала существование отсутствующей планеты между Марсом и Юпитером [19]. Немецкий астроном Иоганн Элерт Боде сформулировал гипотезу (закон Тициуса-Боде), которая предполагала существование этой планеты (исчезнувшей планеты Фаэтон [20]), и которая, возможно, взорвалась [19]. Если планета Фаэтон действительно существовала, и действительно взорвалась, то техногенно или естественно произошел взрыв, мы не можем знать, но можно с большой вероятностью утверждать, что безответственные эксперименты могут и нас приблизить к такому же исходу [11,12]! Может, все-таки, серьезнее надо относиться к экспериментам на коллайдерах? По крайней мере, вопросы глобальной безопасности БАК должны решаться независимыми международными экспертами (например МАГАТЭ), а уж точно, не собственными сотрудниками ЦЕРНа!

*) Файрболы (Fire-ball (англ.) — метеор, болид, шаровая молния) появились в физике частиц в 1958 г., когда краковская группа Менсовича, Ниу в Японии (Niu K. — Nuovo Cimento, 1958, v. 10, p.994) и Коккони (Соссоni G. — Phys. Rev., 1958, v.Ill, p.1699) на основании эмульсионных опытов пришли к заключению, что по крайней мере иногда, а может быть и всегда, множественная генерация адронов при энергии соударяющихся частиц в лабораторной системе Е ~ 1—10 ТэВ идет через промежуточный этап: сначала образуются два сгустка ядерного вещества, имеющие массы ~ 2—5 ГэВ) и сравнительно медленно движущиеся в системе центра инерции (СЦИ), которые затем распадаются каждый в среднем на (п) ~ 5—10 частиц, почти исключительно пионов. Они и были названы файрболами. Очень скоро было замечено, что и при энергиях, на порядок меньших, где удалось применить более совершенную технику (камера Вильсона в магнитном поле, сопряженная с ионизационным калориметром, позволяющим определять начальную энергию в каждом событии), множественная генерация может быть описана с помощью таких же файрболов, однако они образуются в среднем лишь по одному на событие. Все это было найдено в космических лучах, когда физика высоких энергий и физика космических лучей были синонимами. Ускорители существовали лишь для несравнимо меньших энергий (Дубна, Е=10 ГэВ). Файрболы там просто не могли образоваться. Трудности экспериментирования в космических лучах общеизвестны. Неудивительно, что концепция файрболов была воспринята многими физиками очень скептически. Однако подавляющее большинство самих космиков приняло ее сразу. Уже на Международных конференциях по космическим лучам в Москве (1959 г.), Киото (1961 г.) и Джайпуре (1963 г.) была сформулирована общая картина, сохранившаяся в главных чертах и поныне: два соударяющихся начальных адрона, например, нуклоны, выделяют часть своей энергии в файрболы, а сами пролетают вперед, иногда возбудившись, и распадаются в таком случае на небольшое (2—4) число конечных адронов, называвшихся тогда изобарными, а впоследствии фрагментационными или лидирующими. Основная же множественность определяется распадом файрболов на частицы, сравнительно медленно движущиеся в СЦИ. Их стали называть пионизационными. В последвии вся эта концепция в космических лучах лишь укреплялась, а по мере перехода к изучению еще больших Е стали появляться свидетельства в пользу файрболов еще больших масс, вплоть до масс ~ 100 ГэВ, (n) ~ 100-200. Однако как раз после возникновения концепции файрболов начали работать ускорители, способные давать нуклоны с энергией Е 30 ГэВ (ЦЕРН, Брукхейвен), а затем и Е=76 ГэВ (Серпухов). Открывшиеся чрезвычайно благоприятные возможности экспериментирования вызвали вполне понятный энтузиазм у физиков-ускорительщиков, и они с жадностью (!!!) и с восхищением (!) окунулись в исследования на этих установках. Здесь добывались безусловно надежные, очень детализированные данные. С тех пор в течение почти двух десятилетий параллельно существовали, можно сказать, две физики частиц. Для космиков файрболы были несомненным и важнейшим объектом, который фигурировал и в расчетах развития широких атмосферных ливней (при этом принималось, что масса файрбола растет с энергией), и при интерпретации отдельных событий, наблюдавшихся в фотоэмульсиях. Наоборот, для физиков-ускорительщиков и для ориентирующихся только на их данные теоретиков (а таких было подавляющее большинство) файрболы просто не существовали, ими пренебрегали полностью. Лишь небольшие группы теоретиков (в основном в СССР и в Японии, а затем и во многих западных странах) продолжали разрабатывать термодинамическую теорию распада адронных сгустков. Особые трудности возникали при описании корреляций частиц. Наивные же представления файрбольного типа и старомодная гидродинамическая модель Ландау, которую можно считать моделью развития и распада тяжелых файрболов, давали удивительно естественное объяснение множеству характеристик процесса. Постепенно те, кто ранее и слышать не желал о файрболах, стали говорить о промежуточных тяжелых образованиях, хотя из осторожности (или чтобы не быть заподозренными в доверии к файрболам) их обычно называли иначе — кластерами. Крайнюю позицию в этом отношении занял директор ЦЕРН В. Енчке, который в годичном отчете за 1973 г. в качестве одного из главных успехов назвал достигнутое понимание механизма множественной генерации (Jentsсhke W. — CERN Ann. Rept., 1973, p.11). Конечно, это просто однофайрбольная схема, сформулированная в физике космических лучей за полтора десятилетия до того. Еще через два года, в отчете за пятилетие, тот же автор выразил ту же по существу схему на кварк-глюонном языке (Jentsсhke W. — CERN Courrier, 1976, v. 16, No.1, p.4) в соответствии с идеями Покорского и Ван-Хове (Pоkоr ski S., Van Hove L.— Acta Phys. Pol.Ser. B, 1974, v. 5, p.229. Nucl. Phys. Ser. B, 1975, v.86, p.243). Наконец в 1973 г. появилась большая статья Каррузерса и Мин Дуан Вонга, в которой авторы с удивлением обнаружили, что простейшая первоначальная гидродинамическая модель Ландау прекрасно описывает и быстротные распределения при разных энергиях, и множественность генерации. Любопытно, что подытоживающую публикацию 1974 г. Каррузерс назвал «О еретических моделях множественной генерации». Необходимо воздать должное решимости всех этих физиков, восставших против догмы, прочно укоренившейся среди исследователей, ориентирующихся только на ускорительные эксперименты. Однако подобная крайняя интерпретация ускорительных данных отнюдь не стала всеобщей. Гораздо чаще говорили, что адроны образуются группами по 3—4 частицы с суммарной массой ~ 1,5—2 ГэВ/с (их-то и назвали кластерами), или же снова упорно апеллировали к усложненным квантовополевым схемам. Таким образом, после полутора десятилетий резкого противостояния началась конвергенция двух точек зрения. На самом деле конвергенция пошла гораздо дальше, чем принято думать. Это сближение произошло отнюдь не только из-за повышения энергии ускорителей. Не менее важно и то, что после почти двух десятилетий отказа от традиционного квантовополевого подхода, когда еще в 1959 г. устами крупнейшего теоретика было публично провозглашено, что гамильтонов метод для сильных взаимодействий изжил себя и должен быть похоронен, конечно, со всеми почестями, которые он заслужил; когда квантовую теорию поля (КТП) пытались заменить то аксиоматической теорией S-матрицы, то методом полюсов Редже, то дисперсионными соотношениями и т. п., она была полностью реабилитирована и восстановлена в своих правах, вновь была признана фундаментом всякой теории частиц. Так, появившаяся новая теория — квантовая хромодинамика — строилась точно по той же схеме, что и квантовая электродинамика, и мезон-нуклонная теория поля. Изменились лишь вид лагранжиана да внутренние квантовые числа полей. Соответственно этому мы вновь, когда это нужно и оправдано, можем пользоваться и пространственно-временной картиной развития процесса, и квазиклассическим приближением. Это важнейшее обстоятельство, как увидим, и позволяет сохранять файрбольную идеологию, в частности квазиклассический термодинамический подход. На наших глазах появляются и обсуждаются квазиклассические модели процессов соударения адронов и ядер, иногда лишь дополнительно учитывающие кварк-глюонную структуру, но в остальном очень близкие к тем, которые обсуждались много лет назад. Многие возникающие при этом вопросы и неясности — те же, что обсуждались и разрешались раньше. Поэтому не следует удивляться тому, что приходиться рассматривать и очень старые работы. Они представляют не только исторический интерес. Одним из наиболее употребительных аргументов против файрболов был тезис об их экзотичности, о том, что это непонятно, что такое, нечто, не интерпретируемое, например, на квантовополевом языке. Однако теперь ясно, что этот аргумент ошибочен. В любой КТП, как увидим, существует естественное место для тяжелых нерезонансных нестабильных объектов. Вопрос может стоять только о том, как описывать их распад — термодинамически или как либо иначе. В частности для них можно предложить и вполне конкретную физическую структуру. Это может быть, например, кварк-глюонный мешок ненормально высокой плотности и потому нестабильный. Интерес к подобным образованиями резко возрос после начала опытов по соударению сверх-релятивистских тяжелых ядер (до десятков ГэВ на нуклон) во встречных пучках, когда образование горячей кварк-глюонной плазмы высокой плотности, постепенно расширяющейся и переходящей в адронную фазу, становится весьма правдоподобным. Нет сомнения, что физики-космики были подготовлены к принятию концепции файрболов теоретиками, которые начиная с 1936 г. строили термодинамические модели множественной генерации. Началось с Гейзенберга, который еще до появления каскадной теории электронно-фотонных ливней Баба и Гайтлера попытался объяснить широкие атмосферные ливни космических лучей (их в то время называли ливнями Оже) как результат множественной генерации в одном акте. Он опирался на популярный тогда вариант теории бета-распада, предложенный Конопинским и Уленбеком (Konopinski E., Uhlenbeck G.— Phys. Rev., 1935, v.48, p.107). Когда появилась каскадная теория Баба — Гайтлера, надобность в таком механизме для объяснения электронно-фотонных ливней отпала, а отказ от лагранжиана взаимодействия с производными привел к забвению этой работы Гейзенберга. Однако в ней нетрудно узнать прообраз всех основных идей и статистической модели Померанчука с ее критической температурой распада Тк, и обобщающей ее гидродинамической модели Ландау. Сам же Гейзенберг возобновил построение теории множественной генерации уже для сильных взаимодействий, причем отдал предпочтение квазиклассическому волновому подходу с взаимодействием, сильно нелинейным или содержащим производные. В его схеме при столкновении двух нуклонов образуется волновой пакет высокой плотности, который расползается до тех пор, пока плотность волновой функции не упадет до предела, при котором нелинейное или градиентное взаимодействие становится слабым. Фурье-разложение расплывшегося пакета в этот момент дает импульсный спектр рождающихся частиц? Таким образом, квазиклассический термодинамический подход имеет давнюю историю. Близкие предварительные соображения высказывали и другие авторы (Коppe H. —Zs. Naturforsch., 1948, Bd. 3a, S.251. Wataghin G. — Phys. Rev., 1943, v.63, p.137, 1944, v.66, p.149). Но особую роль сыграло появление модели Ферми (Fermi E.— Progr. Theor. Phys., 1950, v.5, p.570), усовершенствованной в принципиальном отношении Померанчуком (Померанчук И. Я. — ДАН СССР, 1951, т.78, с.889) Все это было увенчано созданием развитой гидродинамической теории Ландау (Ландау Л.Д.— Изв. АН СССР. Сер. физ., 1953, т.17, с.51; то же: Собрание трудов / Под ред. Е. М. Лифшица.— Т.2.— М.:Наука, 1969. — Ст.72). В перечисленных моделях предполагается, что взаимодействие сталкивающихся нуклонов высокой энергии является чрезвычайно сильным, настолько, что они, перекрывшись своими объемами, выделяют в этой области перекрытия всю свою энергию. В результате вакуум поляризуется, вскипает до чудовищной температуры Т, образовавшиеся адроны сливаются в единый сгусток сверхплотной ядерной материи, который затем расширяется. В теории Ландау расширение происходит в соответствии с законами релятивистской гидродинамики. Это длится до тех пор, пока температура Т не упадет в данном элементе объема (в его системе покоя) до критической, Тк, при которой плотность энергии снижается до плотности нормальных адронов, так что возникает адронный газ с температурой Тк ~ т пиона. Эту оценку Тк дал еще Померанчук , но он, рассматривая процесс расширения, не учел роль гидродинамического давления, поэтому его статистическая, термодинамическая модель применима лишь для не очень больших сгустков, когда давлением можно пренебречь. Здесь она дает хорошее согласие с опытом, правда, только если при этом учесть, в отличие от первоначальной идеи Померанчука, что статистическая система не включает лидирующих частиц, т. е. является подсистемой. Элегантная же теория Ландау является наиболее полной (стоит обратить внимание на то, что в этой теории распад на конечные адроны происходит не одновременно во всем объеме, а там, где в данный момент температура упала до Тк. Отметим также, что на Западе вплоть до 70-х гг. ни о статистической модели Померанчука, ни о гидродинамической модели Ландау ничего не знали. Многие еще в 1976 г. под статистической моделью понимали лишь модель Ферми, а под термодинамической — опирающуюся на нее модель Хагедорна). Подобный квазиклассический подход оправдан большой множественностью генерации п, т.е. большим числом возбужденных степеней свободы, большими квантовыми числами системы. Соответственно вероятность генерации определяется главным образом объемом многомерного фазового пространства при данной полной энергии. Это эквивалентно микроканоническому распределению, что прямо ведет к термодинамике. Однако все упомянутые модели говорят только о лобовых, центральных соударениях нуклонов, при которых начальные частицы останавливаются и вся их энергия переходит в термодинамическую систему. Между тем, уже в то время из анализа данных по широким атмосферным ливням космических лучей, как показал Г. Т. Зацепин , а затем и другие исследователи (анализировавшие также прохождение через атмосферу отдельных адронов), получалось, что господствующим, а может быть и единственным процессом являются так называемые периферические соударения, в которых налетающий нуклон теряет не более половины своей энергии. Для выхода из затруднительного положения были выдвинуты разные схемы:** и ***.



**) Гейзенберг предположил (Heisenberg W. — Zs. Phys., 1952, Bd.133, S.65), что при нецентральном столкновении в новые частицы переходит только та часть полной энергии, которая заключена в перекрывающихся частях нуклонов, и что это верно до таких больших отклонений от центральности, при которых энергии перекрывания еще хватает на генерацию хотя бы двух пионов. Исходя из модели Гейзенберга были рассчитаны сечения взаимодействия, которые имели чрезвычайно высокие значения. Например, при Е ~ 106 ГэВ такая формула дает величину, в 50—100 раз превышающую известное уже в то время экспериментальное значение.



***) Ферми (Fermi E. — Phys.Rev., 1951, v.81, p.683) поступил иначе. Он считал, что даже при периферическом соударении, когда сплющенные нуклоны задевают друг друга только краями, все равно за время столкновения образуется единая термодинамическая система, но обладающая угловым моментом, перпендикулярным плоскости соударения. Критика этих схем дана в обзоре академика Фейнберга [8]. Вопрос о механизме образования файрбола сводится к труднейшей проблеме квантовополевого перехода от динамической системы (два начальных адрона) к стохастической. Уже в классической физике эта проблема, как известно, очень трудна[8].



****) Мировые данные по анализам космических лучей были собраны в (Lattes С.М.G., Fujimoto Y., Hasegawa S. — Phys.Rept., 1980, v.65, p.151), причем авторы делают упор на свои собственные выводы, согласно которым существуют три типа файрболов: малые - они называют их древнеиндейским словом «Мирим» или H-квантами (тяжелыми квантами) со средней массой ~ 2—3 ГэВ и температурой распада Tk=0,13 ГэВ; средние (“Ачу” или “супертяжелые”, SH) с массой~ 15—30 ГэВ и Тk=1 ГэВ и гигантские («Гаучу» или «ультра тяжелые», UH) с массой ~ 100—300 ГэВ и еще большими (в 2—4 раза (?)) Тk. Столь резкое разделение на три класса отражает, в основном, точку зрения одной школы и не принято еще другими космиками. Все распределения по массам очень размыты. Однако более слабые утверждения, по-видимому, довольно широко признаются, именно: 1) спектр масс файрболов при Е ~ 103—107 ГэВ простирается вплоть до масс ~ 100 ГэВ; 2) средний поперечный импульс продуктов их распада несколько возрастает с Е; 3) при больших Е появление больших масс файрболов более вероятно. Следует вспомнить, что гигантская «звезда», содержащая порядка сотни заряженных частиц, была зарегистрирована и тщательно проанализирована уже давно. Угловые и импульсные распределения частиц в ней хорошо согласовались с интерпретацией этого явления как распада одного файрбола. Ему было присвоено собственное имя «Texas Lone Star» («одинокая звезда Техаса» — по месту регистрации явления – Perkins D., Fowler P.— Proc.Roy.Soc. Ser. A, 1964, v.278, p.401).



Примечание: Все сноски (*) сделаны по материалам обзоров Е.Л. Фейнберга и др. [8,21].

Литература:

 

        [1]          Большая наука и Большой адронный коллайдер
        [2]        
 STUDY OF POTENTIALLY DANGEROUS EVENTS DURING HEAVY-ION COLLISIONS AT THE LHC: REPORT OF THE LHC SAFETY STUDY GROUP
        [3]         
The Large Hadron Collider (LHC): Why we are still at risk
        [4]         
Вопросы безопасности Большого адронного коллайдера
        [5]         
Ядерная энергия
        [6]         
Детектор CMS обнаружил необычные корреляции частиц
        [7]         
CERN проникает глубже в тайну кварк-глюонной плазмы
        [8]         
Термодинамические файрболы
        [9]          http://xfel.desy.de/localfs.Explorer_read?Current.Path
        [10]        
Коллайдер и железный конец Земли
        [11]        
Коллайдер и железный конец Земли
        [12]       
 Русская рулетка в ЦЕРНе. На кону наш Шарик!
        [13]        
Антиматерия. Кварк-глюонная плазма
        [14]        Heisenberg W. — Zs.Phys., 1952, Bd.133, S.65
        [15]        Fermi E. —Phys.Rev., 1951, v.81, p.683
        [16]        Иоффе Б.Л. - ЖЭТФ, 1974, т.20, вып.6, с.360-362
        [17]        
ASTROLAB.ru МЕТЕОРИТЫ
        [18]        
Железные метеориты
        [19]        
Природа происхождения: аккреция и столкновения
        [20]        
Фаэтон (планета)
        [21]        
Деконфаймент цвета и субадронное вещество: фазовые состояния и роль конституентных кварков