Простое объяснение

Как мы знаем, температура на самом деле зависит от скорости движения частиц вещества. Чем выше скорость, тем слабее связи между отдельными молекулами. Холодные твёрдые тела при нагреве постепенно плавятся, и становятся жидкостями, которые сохраняют тот же объём, но не форму. Т.е., в свою очередь, при нагреве испаряются, превращаясь в газы. У них нет уже ни формы, ни объёма.

Кварк-глюонная плазма простыми словами

Если же продолжить нагревать газ, но с помощью давления не давать его частицам разлетаться в стороны, то он превращается в плазму. Её характеризуют высокие температуры и ионизация, то есть электромагнитное поле является такой же составляющей плазмы, как и ионы с электронами.

И если продолжить этот ряд, то высокоэнергетические состояния вещества, и, соответственно, кварк-глюонная плазма – это то, что мы получим, если продолжим нагревать плазму ещё сильнее.

Отличие в том, что в обычной плазме из-за высоких температур и давления от молекул отсоединяются и свободно двигаются положительные и отрицательные ионы и электроны. Но в хромоплазме аналогичный процесс происходит с ещё более маленькими частицами.

Кварк-глюонная плазма простыми словами
Теоретическое моделирование того, как должно происходить расширение треугольной зоны кварк-глюонной плазмы после столкновения гелия-3 с тяжелым ядром.

Как уже давно известно, атом вовсе не неделимая частица, и состоит из частиц поменьше: электронов, протонов и нейтронов. Последние два относятся к группе частиц «барионы» и состоят из ещё более крошечных кварков.

Глюоны – это особые квантовые частицы, которые передают так называемое «сильное взаимодействие» между кварками.

Если проводить аналогию, то кварки — это детали, а глюоны – удерживающий их вместе клей. Собственно, так последние и получили свое название, от английского «клей» – «glue». И когда частицы нагреваются настолько, что они расклеиваются и начинают летать в облаке – получается кварк-глюонная плазма.

История открытия

Кварк-глюонная плазма простыми словами
Эксперимент ALICE ЦЕРНа участвует в исследовании кварк-глюонной плазмы.

Разумеется, получение такого экзотического состояния материи очень сложный процесс и долгое время существование кваркового супа оставалось лишь теорией.

Первые гипотезы, предсказывающие его получение, появились в конце 1970-х – начале 1980-х, так же, как и теоретические выкладки. На тот момент, к сожалению, не было оборудования и достаточных знаний, чтобы создать нужные условия.

В 1990-х последовали первые эксперименты. Но впервые кварк-глюонную плазму зафиксировали в 2000 году исследователи из CERN, объявив об обнаружении «нового состояния вещества».

Мнение эксперта
Ханова Ольга Евгеньевна
Исследовательница космоса, астрофизик по образованию
Окончательно убедиться в правильности их экспериментов удалось только в 2005-ом году американским ученым Брукхейвенской национальной лаборатории.

Так как на Земле невозможны нормальные условия для получения кварк-глюонной плазмы, то для этого были использованы ускорители частиц.

В рамках экспериментов учёные столкнули друг с другом ионы золота. В результате была получена температура в триллион градусов Цельсия. Именно в таких условиях было зафиксировано появление хромоплазмы, пусть и на очень короткий, незаметный для человеческого глаза, срок – на миллиардные доли секунды.

Кварк-глюонная плазма простыми словами
Схема ускорительного комплекса мегапроекта NICA.

С тех пор продолжают исследования этого явления. Для получения кварк-глюонной плазмы используют ионы других, более тяжелых веществ, например, свинца, и ещё более мощные ускорители частиц. Это позволяет добиться ещё больших температур.

Например, знаменитый Большой Адронный Коллайдер позволил добиться температуры в 10 триллионов градусов. Но также используют и легкие ионы, например, ксенона, чтобы определить нижний порог необходимой энергии.

Для исследования кварк-глюонной плазмы предназначены и российские разработки. Например, ещё строящийся коллайдер NICA. Его строительство началось в 2013-ом году и было заявлено, что он начнёт работу уже к концу текущего 2022-го года.

Вопросы и ответы

Почему кварк-глюонную плазму называют «кварковым супом»?

Дело в том, что это состояние вещества не только обладает свойствами плазмы, но и некоторым сходством с жидкостью. Поэтому некоторые ученые сравнивают её с супом.

Зачем нужны исследования кварк-глюонной плазмы?

Предполагается, что сразу после большого взрыва именно она заполняла большую часть космоса. Её изучение позволит лучше понять историю и развитие Вселенной.

Где в природе встречается кварк-глюонная плазма?

Согласно некоторым исследованиям, её можно найти внутри центров нейтронных звёзд. Также есть пока не доказанное предположение, что она также имеется в атомных ядрах наряду с протонами и нейтронами в виде вкраплений-«капель».

Опасно ли создание кварк-глюонной плазмы?

К счастью, нет, не смотря на чрезвычайно высокие температуры. Из-за крайне малых масштабов и времени её существования, она не представляет никакой опасности.

Можно ли использовать кварк-глюонную плазму как источник энергии?

Она обладает очень высокой энергией, но только от самого столкновения, созданного нашими же ускорителями частиц. Получение кварк-глюонной плазмы требует больше энергии, чем она может дать нам.

Что такое «цвет» у кварков?

Как у электронов есть заряд, так и кварков, но он не бинарный (плюс или минус), а тринарный, поэтому их ассоциируют с цветами. Они, накладываясь друг друга, создают «бесцветную» частицу, как минус и плюс дают ноль.

Почему кварк-глюонную плазму называют «хромоплазма»?

Дело в том, что с греческого языка переводится, как «хрома», и цветом характеризуются кварки. В кварково-глюонной плазме они существуют отдельно друг от друга, хотя сама плазма в целом остаётся «бесцветной».

Видео-обзор научных фактов о кварк-глюонной плазме