Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 101
Текст из файла (страница 101)
При этом, по крайней мере одно из массовых состояний нейтрино заведомо тяжелее 0,036 эВ. Обнаружение нейтринных осцилляций показывает, что нейтрино имеют ненулевую массу и что лептонные квантовые числа не сохраняются. Все это указывает на существование явлений, не укладывающихся в рамки Стандартной модели. и открывает новые направления исследований. ф 8. Кварк-гл8ооппая плазма По современным представлениям при высоких температурах и/или больших плотностях адронной материи может образовываться кваркглюоннал ллазма. Предполагается, что в естественных условиях кваркглкюнная плазма существовала в первые !О з с после Большого взрыва (рис.!!.8). Условия для образования кварк-глюонной плазмы могут существовать и в центре нейтронных звезд.
Численные оценки показывают, что переход в состояние кварк-глюонной плазмы происходит как фазовый переход 1-го рода при температуре Т 200/8 МэВ (А' = 8,62 !О " МэВ/К). !О ' Кельвин !Оо !09 !О" 1О !О-Я ! !Оь !Оп !Он Время после Большого взрыва, секунды Рис. !!.8. Эволюция Вселенной. По вертикальной оси отложена темперюура 510 Глава 11. Проблемы. Перслеклшеы Экспериментальное наблюдение кварк-глюонной плазмы — одна из приоритетных задач современной ядерной Физики. Наиболее перспективным методом получения кварк-глюонной плазмы является соударение релятивистских тяжелых ионов. Образующееся в области столкновения сжатие и нагрев материи могут оказаться достаточными для фазового перехода.
Одна из основных проблем — идентификация состояния кварк-глкюнной плазмы. Это может быть сделано по аномальному выхолу лептонных пар, эмиссии фотонов, аномально большому выходу странных частиц. Трудности идентификации связаны с тем, что, во-первых, существует большой фон за счет событий сильного взаимодействия нуклонов, во-вторых, длительность кварк-глюонной сталин эволюции ядерной системы составляет малую часть общего времени эволюции. На рис. 11.9 приведена фазовая диаграмма, из которой видно, в области каких плотностей и температур можно ожидать образования кваркглюонной плазмы.
На рис. 1!.8 показана возможность ее наблюдения на коллайдере релятивистских тяжелых ионов йН1С (Ке!абгйайс Невку 1оп Сойи1ег) в Брукхейвене, США. В начале 2000 г. в ПЕРНе было официально объявлено о том, что новое состояние материи — кварк-глиюнная плазма — было получено в столкновениях ионов свинца с ионачи свинца и золота. Полная энергия сталкивающихся ионов составила ш 33 ТэВ (для образования кваркглюонной плазмы необходимо 3-4 ТзВ). Плотность образовавшейся материи превышала плотность ядерной материи (ядерную плотность) приблизительно в 20 раз. В соответствии с предсказаниями теории в момент образования кварк-глюонной плазмы наблюдались повышенный выход странных мезонов, уменьшение выхода тяжелых гр-мезонов, увеличение выхода фотонов и пелтон-антилептонных пар.
Температуре, МэВ 300 200 йтронные завалы 0,3 0,6 1,0 3,0 Плотность в единицах ядерной плотности Рне. 11ХК Фазовая диаграмма алронной материи 51! В 9. Аосмслогия Один из интересных выводов, который можно сделать при изучении эволюции Вселенной, заключается в том, что привычные лля нас «кирпичики«материи — протоны и нейтроны — существовали не всегда. Они появились примерно через (10 ь-10 ') с после Большого взрыва, когда температура понизилась настолько, что стало возможно образование адронов из кварков, входивших в состав кварк-глкюнной плазмы.
Вначале это были высоковозбужденные нуклонные состояния — нуклонные резонансы, которые затем в результате охлажления превратились а протоны и нейтроны. ф 9. Космология В основе современной физики лежат дае фундаментальные теории: 1. Обшаятеория относительности, описываюшая Вселенную в наиболее крупных масштабах — динамику звезд, галактик и лаже всю Вселенную в целом. 2. Квантовая теория, описываюшая Вселенную в ее наиболее мелких масштабах — молекулы, атомы, кварки, электроны. Согласно обшей теории относительности, разработанной Эйнштейном, геометрия пространства-времени (тензор кривизны пространства- времени Риччи 2!я«) связана с распределением в пространстве вещества и энергии (тензор энергии-импульса материи Тя,) соотношением 1 8тб Ц~« ~дяи ' ««Тя« (11.24) где С вЂ” гравитационная постоянная Ньютона, д„„ — метрический тензор, Д = 22„,д"«.
По образному выражению Дж. Уилера, «масса управляет пространством, говоря ему, как искривляться, а пространство управляет массой, говоря ей, как двигаться» Эйнштейн рассчитал скорость, с которой распространяется возмушсние структуры Вселенной, и оказалось, что она в точности равна скорости света, что хорошо согласовывалось с обшими положениями специальной теории относительности. Гравитационное взаимолействие — это универсальное взаимолействие тел, приволяшее к притяжению нх друг к другу В своей модели Вселенной Эйнштейн исходил из казавшегося ему очевидным факта ее стационарности.
Однако применение уравнения (!!.24) к Вселенной в целом приводило к поразительному выводу: обший пространственный размер Вселенной должен изменяться с течением времени. Поэтому Эйнштейн модифицировал уравнение (! 1.24), добавив в него справа космологический член Лдк«со знаком минус (Л > О), которь1й, уравновешивал силы притяжения обычной материи силами гравитационного отталкивания. Эти дополнительные силы пропорциональны расстоянию между точками и их теперь 5!2 !Хааа 1!. Проблемы.
Лерсиеквиеы часто называют гравитацией вакуума. С космологическим членом уравне- ние Эйнштейна приобрело вид ма 'и 8н»'~ —,~ 2н А8 2 (1!.25) а Вселенная — статичность. Постоянную 8к6 А = — (рс), с« где рс' — плотность энергии (включая массу покоя частиц), называют космолоеической тктоянной. Космологической постоянной в настоящее время придают смысл величины, описывающей плотность энергии и давление (натяжение) р вакуума, характеризуемого уравнением состояния рс = — р. з (1!.2б) В частном случае при рс' = -р = сопя тензор энергии-импульса можно записать в виде Т„„= рсздн„, и справа в уравнении (11.25) получим нуль. Вселенная становится статичной.
В 1922 — 1924 гг. А, А. Фридман получил решения уравнений обшей теории относительности, отвечающие эволюционирующей (нестационарной) Вселенной. Эти решения описывают расширение или сжатие всего вещества Вселенной. Фридмановские модели являются основой современной космологии. В 1929 г. Э.
Хаббл установил, что Вселенная расширяется, обнаружив красное смешение видимого излучения галактик за счет эФФекта Лоплера. Скорость разлета в двух галактик и расстояние В между ними, как уже отмечалось в главе ! О, связаны законом Хаббла (1!.27) где постоянная Хаббла Н = 73+ 4км/(с. мегапарсек). Оказалось, что Эйнштейн ввел космологическую постоянную для решения несугцествуюшей проблемы — объяснения статичности Вселенной. Поэтому Эйнштейн вернул первоначальную Форму уравнения (1!.24), признав ее временную модиФикацию величайшим заблуждением своей жизни. Согласно космологической модели Большого взрыва Вселенная образовалась около ! 4 млрд лет назад.
«Осколки» этого взрыва представляют собой тысячи миллиардов разлетающихся галактик. Вселенная продолжает расширяться и в настоящую эпоху. В теории Эйнштейна кривизна пространства определяется средней плотностью вещества-энергии во Вселенной. Соотношение между средней плотностью р вещества-энергии во Вселенной н критической плотностью р„определяет судьбу Вселенной. Критическая плотность вещества во Вселенной р„связана с постоянной Хаббла Н и гравитационной постоянной б 9. Космология 5!3 С соотношением р„= — = 10 г/см .
ЗНэ (1!.28) 8яб Если р < р„, то Вселенная будет постоянно расширяться, и радиус ее будет возрастать неограниченно. Если р > р„, гравитационное взаимодействие будет замедлять расширение, и оно сменится ускоряющимся сжатием. Средняя плотность наблюдаемого вещества во Вселенной — (3,2-4,5) к 10 э' г/смз, что составляет 4% отсредней величины критической плотности. Это вещество, как отмечалось в гл.
10, состоит нз оптически ярких звезд (на их долю приходится лишь около 1/10 массы наблюдаемого вещества), межзвездной пыли и газа, молекулярных облаков, остатков звездной эволюции (включая черные дыры), планет и очень маленьких звезд, массы которых недостаточны для ядерных реакций синтеза. При вышеуказанной средней плотности наблюдаемого вещества Вселенная, казалось бы, обречена на замедляющееся расширение.
Однако установлено, что во Вселенной имеется большое количество неизвестной оптически невидимой материи, которую принято называть темиой материей. Темная материя увеличивает массу Вселенной. Эта материя не участвует в ядерном синтезе, происходящем в звездах, не излучает и не поглощает фотоны. Следовательно, ее невозможно обнаружить с помощью телескопов. Тем не менее практически нет сомнений, что во Вселенной присутствует темная материя. Как же была обнаружена темная материя? Астрономические наблюдения показывают, что скорости движения галактик составляют тысячи километров в секунду и улер:кать их в наблюдаемых скоплениях галактик можно только при условии, что полная масса вещества в скоплении примерно в десять раз больше их видимой массы. В нашей галактике Млечный Путь темного вещества также примерно в 10 раз больше видимого. Оно образует обширное гало вокруг диска Млечного Пути.
Не меньше темной материи и в межгалактическом пространстве. Средняя плотность темной материи приближается к критической плотности Вселенной, т. е. составляет — 10 'ч г/смэ, что в десятки раз больше плотности видимого вещества. Какова природа темной материи? Пока это никому не удалось выяснить. Известно лишь то, что это не барионная материя. Это могут быть новые неизвестные пока массивные частицы, массы которых в тысячи раз больше массы протона, практически не взаимодействующие с известной нам материей (эту часть темной материи называют холодной темной материей). Но наибольший вклад в темную материю дает так называемая темная энергия, которую интерпретируют как вакуум. Имеется в виду особая форма материи — физический аакуум, т.
е. наинизшее энергетическое состояние физических полей, пронизывающих пространство. Уравнение состояния вакуума имеет вид (11.2б) и именно вакуум может создавать гравитационное отталкивание во Вселенной. В начале 1998 г. было сделано сенсационное открытие. Оказалось, что последние пять миллиардов лет расширение Вселенной не замедлялось, как следует из модели Большого взрыва, а ускорялось (рис. 1!.!0). Это эа эч .
зя 514 Глава 11. Проблемы. Перелектлвы Время,! Ряе.!1.1О. Изменение расстояний в реальном мире; г„,щ 100 000 лет, 1, = 6-8 млрд лет открытие сделано в результате анализа спектров излучения взрывающихся сверхновых, расположенных от Земли на расстоянии 5 — !О млрд световых лет. Таким образом, было доказано наличие в космосе гравитационного отталкивания, присущего ф)ззическому вакууму. Одновременно с этим получила подтверждение и форма записи гравитационного уравнения Эйнштейна в виде (! 1.25).
По ускорению космологического расширения удалось измерить плотность энергии вакуума, входящую во второе слагаемое правой части уравнения (!!.25). Эффективная энергия ваапоха ' эпоха куума отрицательна при поващаства !1 вакуума ложительной плотности. Космологический вакуум облада~е ет довольно удивительными свойствами. Плотность энер,' вакуум гии вакуума со временем не 1 1 изменяется, в то время как плотности обычного вещества и холодной темной материи 1 1 уменьшаются из-за расшире- ния Вселенной (рис. !!.1!). 1„Время, ! В отличие от сил гравитации силы, обусловленные темной Ряс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
