Как возникает золото

Когда вы смотрите на золотое кольцо, вы вряд ли думаете о нейтронных звездах. Каждый атом золота на Земле когда-то родился в чудовищном космическом катаклизме — столкновении двух сверхплотных звезд размером с Москву, но массой с Солнце. Именно там, в миллиардных долях секунды, запускается r-процесс, превращающий нейтроны в тяжелые элементы. И именно эти условия физики из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) собираются воспроизвести на коллайдере NICA — правда, уже в лабораторных масштабах.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

С помощью установки «Многоцелевой детектор» (MPD) они будут сталкивать ядра ксенона и висмута, чтобы изучить фазовые переходы кварк-глюонной материи — той самой «первоматерии», из которой возникла Вселенная спустя 10 микросекунд после Большого взрыва. О том, как столкновение атомных ядер помогает понять природу нейтронных звезд и происхождение золота, «Ъ-Наука» беседует с заместителем руководителя коллаборации MPD, доцентом НИЯУ МИФИ Аркадием Тараненко.

— Расскажите, пожалуйста, об эксперименте, который будет осуществлять ваша коллаборация.

— Эксперимент MPD будет запускаться на коллайдере NICA в конце этого года. Сейчас происходит его сборка и настройка отдельных детекторных подсистем. Его цель — изучение столкновений релятивистских тяжелых ионов, в диапазоне энергий от трех до одиннадцати гигаэлектронвольт в системе центра масс.

— Каких атомов?

— Начнем мы с ядер благородного газа ксенона. Потом, может быть, в следующем году используем ядра висмута. В этих столкновениях, мы надеемся, будет достигнута максимальная барионная плотность.

— Напомните, пожалуйста, нашим читателям, что значит «барионная»?

— Барионы — определенный класс элементарных частиц. Мы живем в мире барионной материи, любой школьник знаком с самыми распространенными видами барионов — протонами и нейтронами, из которых состоят ядра известных нам элементов, а значит, и вся наша материя. Когда-то, в ранней Вселенной, через 10–15 микросекунд после Большого взрыва наша Вселенная была совсем иной и представляла собой такой кварковый суп, состоящий из кварков, антикварков и глюонов — переносчиков межкваркового взаимодействия. Потом эта материя начала расширяться, охлаждаться, и из кварков и глюонов образовались барионы и более легкие частицы — мезоны. Вселенная продолжила охлаждаться, и образовались легкие ядра водорода, гелия и даже немножко лития. Ну а потом пошла эволюция наших химических элементов — это уже процесс, связанный со звездами, их эволюцией, взрывами и столкновениями.

— На коллайдере в ЦЕРНе тоже изучают столкновение ядер?

— Да, но там больше воспроизводят условия ранней Вселенной, когда никакой разницы между кварками и антикварками не было, и поэтому барионная плотность была практически нулевой. В нашем же мире она имеет определенную величину. А если мы будем сталкивать ядра при энергиях, про которые я сказал выше, мы будем воспроизводить материю, плотность которой где-то в пять-шесть раз больше, чем плотность обычных атомных ядер.

— В природе такая плотность встречается?

— Например, такая плотность есть внутри нейтронных звезд. Это звезды размером чуть больше города, такого как Москва или Нью-Йорк, но они имеют при этом массу, равную одной или двум массам Солнца. То есть это очень сжатые, компактные астрофизические объекты. И они не только живут сами по себе, по одиночке, но иногда образуются парами и могут со временем сталкиваться (сливаться) друг с другом. В таком столкновении нейтронных звезд достигается не только огромная барионная плотность, но и температура, уже сравнимая с той, что будет при столкновении ядер на коллайдере NICA.

— Какова же главная задача планируемого эксперимента?

— В первую очередь — лучше понять фазовую диаграмму ядерной материи, как она ведет себя при разных температурах и плотностях, есть ли там какие-то фазовые переходы, отличающиеся от тех, которые были открыты на предыдущих экспериментах при более высоких энергиях. Благодаря этому мы сможем лучше понять природу компактных астрономических объектов и эволюцию химических элементов. Согласно современным представлениям, ядра атомов золота или висмута возникают как раз в процессе столкновения нейтронных звезд. Чтобы такие тяжелые элементы образовались, запускается так называемый r-процесс— быстрый захват нейтронов. Как раз во время столкновения нейтронных звезд, состоящих в основном из нейтронов, возникает материя, которая сильно насыщена нейтронами. За счет этого r-процессы с образованием тяжелых элементов, включая золото или висмут, идут более интенсивно. Получается, что, сталкивая в ходе эксперимента ядра висмута или золота, мы пытаемся воспроизвести те же условия, которые были при столкновении нейтронных звезд, которые запустили процесс образования этих тяжелых элементов. Тех элементов, таких как висмут, уран, золото, платина, которые любой житель Земли хорошо знает, но не задумывается о том, как они возникли во Вселенной. А все они возникли в результате столкновения нейтронных звезд.

— Буквально «звезда в пробирке»?

— Понятно, что столкновение ядер и столкновение звезд — это совсем разные процессы, и по размеру, и по времени. Столкновения ядер происходят за очень короткий промежуток времени, где-то 10-22 секунды. По продуктам этой реакции мы пытаемся установить разные этапы эволюции этой системы. Сравнивая с моделями, мы можем понять, какое было уравнение состояния, которое описывает материю, образующуюся в области перекрытия этих сталкивающихся ядер. Согласно современным моделям, мы можем одно и то же уравнение состояний использовать, чтобы описать и столкновение звезд, и столкновение ядер. Модели, конечно, будут разные, потому что сами процессы разные, но тем не менее, поскольку условия получаются схожими, мы можем описывать это, используя одно и то же уравнение.

— Почему энергия, с которой будут сталкиваться ядра, должна быть в строго определенном диапазоне и не больше?

— Диапазон энергий выбирается так, чтобы в нем была максимальная барионная плотность. Это делается на основании модельных расчетов. С помощью моделей, которые достаточно хорошо работают и воспроизводят результаты проводимых ранее экспериментов, мы можем оценить, какая барионная плотность может достигаться и как долго такая плотная система будет жить. Например, если мы увеличим чуть-чуть энергию, да, мы получим, может быть, даже более сжатую барионную материю, но она будет жить меньше. Нам же важно, чтобы она не только в какой-то момент создавалась, но и чтобы процесс эволюции этой системы был достаточно длительным, чтобы ее можно было лучше изучить. Расчеты показали, что в этом диапазоне будет максимальная плотность материи, которая будет сравнима уже с плотностью компактных астрофизических объектов в момент их столкновения. Сами нейтронные звезды сжаты, но это холодные объекты. А при столкновении они достигают тех температур, что и в нашем эксперименте.

— Какие-то нейтронные звезды есть в космосе и сейчас. Когда мы говорим о нуклеосинтезе, мы говорим о предыдущих поколениях звезд?

— Они есть и сейчас, и они сталкиваются сейчас, в данный момент, этот процесс может быть редким, но у астрономов есть возможность смотреть не одну нашу галактику. Впервые этот процесс был зафиксирован в 2017 году, это событие наблюдали все астрономы мира, поскольку он был виден и в потоках нейтрино, и через электромагнитное излучение, и через гравитационные волны. В этом смысле это изучение не какой-то стадии эволюции Вселенной, которая была миллиарды лет назад, а именно той Вселенной, которая существует здесь и сейчас.

— То есть золото, с которым мы, может быть, имеем дело, оно по вселенским меркам сравнительно молодо?

— Нет, эти же процессы происходили и раньше. В прошлом золото как-то нарабатывалось, и так получилось, что мы этим золотом пользуемся.

— Расскажите, пожалуйста, о предстоящем эксперименте.

— Многоцелевой детектор начнет работу в этом году. Понятно, что первое время это будут так называемые технические сеансы, которые покажут, что установка работает, что все ее подсистемы действуют штатно и что можно будет получить какие-то базовые распределения, которые покажут ее реальный потенциал. Вообще, каждая установка сначала симулируется через специальную программу, куда заложены все узлы на модельных данных, со статистикой, сравнимой с экспериментом, чтобы проверить, что геометрия детекторов подобрана правильно, чтобы получить ту физику, на которую она нацелена. Вам никто никогда в жизни не даст деньги на детекторы, которые стоят десятки миллионов долларов, если вы не покажете, что это все было промоделировано, что вы получите ожидаемый результат. Теперь это будет переход от моделирования к уже построенной установке, но ее тоже необходимо будет в течение года-полутора проверять и убедиться, что все элементы правильно работают в собранном виде. Перед сборкой части установки проверяют на космическом излучении, на тех мюонах, которые летят с неба, «на космике», как физики говорят. Проверяется это годами, потом это все должно быть собрано вместе. Многие детекторы требуют специальной системы охлаждения, и так далее, и так далее. Все это надо проверить и уже потом переходить к физике.

— А собственно физический эксперимент сколько продлится?

— Эксперимент нацелен не на год, не на два. Эта программа будет реализовываться в течение 15–20 лет.

— По вашим личным ощущениям как ученого, по вашим предположениям, может быть, интуиции, ожидаете ли вы, что этот эксперимент даст что-то неожиданное, что будет отклоняться от теоретических моделей?

— Понимаете, это не единственный эксперимент, который работает в этой области. Эксперимент STAR в Брукхейвенской национальной лаборатории США уже закончил свою работу. Этот эксперимент проработал 25 лет и набрал какие-то данные в интересующей нас области энергий. МИФИ в нем тоже участвовал. Есть установки, которые будут строиться в Китае через год-два, потом, опять же, в Германии (проект ФАИР). Может быть, возобновится эксперимент в Брукхейвенской лаборатории. Это говорит о том, что есть большой интерес к этой области энергий. Теория предсказывает: как раз в этой области энергий возможен переход в кварк-глюонную плазму, и есть соответствующая критическая точка. Как на диаграмме состояний воды при разных температурах и давлениях есть разные критические точки — замерзания, испарения, переходы разного рода, так и у кварк-глюонной материи, возможно, имеется подобный фазовый переход. Мы знаем, что при высоких температурах и малых барионных плотностях наблюдается плавный переход кварк-глюонной материи в барионную, а при больших плотностях он будет резкий, скачкообразный, и возможно существование этой критической точки. Поиск ее имеет огромное значение, поэтому столько экспериментов будут пытаться ее найти. Но это непростое занятие, поскольку столкновения сами по себе — сложный процесс. И в моем понимании потребуется также развитие моделей, предстоит большая работа теоретиков, чтобы правильно описать этот фазовый переход.

— В физике известен эффект конфайнмента — невозможность кварков, из которых состоят протоны и нейтроны, далеко расходиться друг от друга и существовать в свободном состоянии. Этот эксперимент напрямую касается этого явления?

— Эта область интересна как раз с точки зрения поиска критической точки и начала конфайнмента и деконфайнмента. То есть состояние деконфайнмента, сама кварк-глюонная материя открыта, но в ЦЕРНе другая материя, с нулевой барионной плотностью, она просто сильно разогрета. А здесь мы хотим найти, при какой температуре, при какой барионной плотности эта кварк-глюонная материя начинает образовываться.

Беседовал Константин Фрумкин