Вчені хотіли засекретити відкриття «кваркового синтезу»

На зображенні нижче можна побачити грибне хмара від вибуху Айві Майк в 1952 році, першої бомби термоядерного синтезу, яку коли-небудь підривали. В процесі синтезу і ділення ядер виділяється колосальна енергія, завдяки якій ми сьогодні до тремтіння боїмося ядерної зброї. Днями , що фізики виявили ще більш енергетично потужну субатомную реакцію, ніж термоядерний синтез, яка протікає в масштабах кварків. На щастя, схоже, вона не надто пристосована для створення зброї.

Коли пара фізиків заявила про відкриття потужного субатомного процесу, стало відомо, що вчені хотіли засекретити відкриття, оскільки воно могло бути надто небезпечним для публіки.

Був вибух? Вчені показали, що дві крихітні частинки, відомі як нижні кварки, теоретично можуть зливатися в потужній спалаху. Результат: велика субатомна частинка, відома як нуклон, і купа енергії випліскуються у всесвіт. Цей «кварковый вибух» міг би стати ще більш потужним субатомным аналогом термоядерних реакцій, які протікають в ядрах водневих бомб.

Кварки — це крихітні частинки, які чіпляються одна за одну, утворюючи нейтрони і протони усередині атомів. Вони бувають шести версій, або «ароматів»: верхній, нижній, зачарований, дивний, самий верхній (справжній) і найнижчий (чарівний).

Енергетичні події на субатомному рівні вимірюються в мегаэлектронвольтах (Мев), і коли два самих нижніх кварка зливаються, фізики виявили, що ті видають колосальні 138 Мев. Це приблизно у вісім разів сильніше, ніж окреме ядерне злиття, яке відбувається у водневих бомбах (повномасштабний вибух бомби складається з мільярдів подібних подій). Водневі бомби синтезують разом крихітні ядра водню — дейтерій і тритій — з утворенням ядер гелію і найпотужнішого вибуху. Але кожна з окремих реакцій усередині такої бомби вивільняє лише 18 Мев, за даними Nuclear Weapon Archive. Це набагато менше, ніж при синтезі самих нижніх кварків — 138 Мев.

«Повинен зізнатися, коли я вперше усвідомив, що така реакція можлива, я злякався», говорить один з учених Марек Карлайнер з Університету Тель-Авіва в Ізраїлі. «На щастя, все виявилося не так страшно».

При всій потужності реакцій синтезу, окрема реакція не так вже й небезпечна. Водневі бомби витягують свою жахаючу силу з ланцюгових реакцій — каскадних злиття безлічі ядер одномоментно.

Карлайнер і Джонатан Рознер з Чиказького університету визначили, що така ланцюгова реакція буде неможлива з участю чарівних кварків, і перед публікацією розділили свої побоювання з колегами, які погодилися з їх висновком.

«якби я хоча б на микросекунду задумався про те, що у такого процесу може бути військове застосування, я б не написав про нього», говорить Карлайнер.

Для запуску ланцюгової реакції виробникам ядерних бомб потрібні значні запаси частинок. Важливою властивістю чарівних кварків є те, що їх неможливо зібрати запаси: вони перестають існувати через одну пикосекунду після створення, а за цей час світло може пройти лише половину довжини гранули солі. Після закінчення цього часу чарівний кварк розпадається на більш менш поширений і енергетичний тип субатомної частинки — верхній кварк.

Можна створити окремі реакції синтезу чарівних кварків в кілометровій трубі прискорювача частинок, каже вчені. Але навіть усередині прискорювача неможливо накопичити достатньо велику масу кварків, щоб завдати світу якоїсь шкоди. Тому хвилюватися не про що.

Саме ж відкриття неймовірно, тому що стало першим теоретичним доказом того, що субатомні частинки можна синтезувати з випуском енергії, каже Карлайнер. Це абсолютно нова територія у фізиці найдрібніших частинок, яка відкрилася завдяки експерименту на Великому адронному колайдері в ЦЕРН.

Ось як фізики прийшли до цього відкриття.

В ЦЕРН частинки мчать по 27-кілометровому кільцю під землею на швидкості світла, а потім стикаються. Потім вчені використовують потужні комп'ютери для просіювання даних цих зіткнень, і в цих даних іноді виникають дивні частинки. У червні, наприклад, в даних здався «дворазово зачарований» баріон, або громіздкий кузен нейтрона і протона, що складається з двох кузенів «чарівного» і «верхнього» кварків — «зачарованих» кварків.

Зачаровані кварки дуже важкі в порівнянні з більш поширеними верхніми і нижніми кварками, складовими протони і нейтрони. Та коли важкі частинки зв'язуються один з одним, вони перетворюють великий шматок своєї маси в енергію зв'язку, а в деяких випадках і залишають енергію, яка випаровується у всесвіт.

Карлайнер і Рознер з'ясували, що коли два зачарованих кварка зливаються, частинки зв'язуються з енергією близько 130 Мев і викидають 12 Мев залишилася енергії. Це злиття зачарованих кварків було першою реакцією частинок такого масштабу, при якій була испущена енергія. Вона і стала головною тезою нового дослідження, опублікованого 1 листопада в журналі Nature.

Ще більш енергійне злиття двох чарівних кварків, які зв'язуються з енергією 280 Мев і викидають 138 Мев при злитті, стало другою і більш потужної з двох виявлених реакцій. Поки вони залишаються теоретичними і недоведеними в експериментальних умовах. Наступний крок незабаром буде. Карлайнер сподівається, що перші експерименти, що демонструють цю реакцію, будуть проведені в ЦЕРН протягом наступних декількох років.