Релятивистский коллайдер тяжёлых ионов (RHIC) расположен в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде. Он построен по тому же принципу, что и Теватрон или БАК, но, в отличие от них, способен ускорять субатомные частицы до энергий, лишь в 100 раз превышающих их энергии покоя. Для сравнения: Теватрон способен придавать протонам энергию, превышающую их массу в 1000 раз, БАК — в 7000 раз. Но главное отличие RHIC от Теватрона в том, что RHIC ускоряет не протоны, ядра золота. Ядро золота состоит из почти 200 нуклонов (напомню, что к нуклонам относятся протоны и нейтроны). Золото было выбрано, потому что его ядро очень тяжёлое и вдобавок по ряду технических причин с ним проще работать, чем с другими тяжёлыми металлами. В экспериментах на БАК планируется использовать более тяжёлые, чем ядра золота, ядра свинца. На самом деле нет никакой принципиальной разницы в том, ядра какого элемента использовать в эксперименте, поэтому в дальнейшем я буду говорить о ядрах золота, потому что именно они использовались в экспериментах на RHIC.

Физики постоянно сталкивают что-нибудь с чем-нибудь в надежде получить что-либо ещё, но в последнее время их предпочтения сместились к столкновениям электронов с позитронами. Причина в том, что электроны имеют очень простую структуру по сравнению с атомными ядрами. Нет никаких свидетельств в пользу того, что электрон имеет внутреннюю структуру. Позитроны в этом отношении идентичны электронам, за исключением того, что они несут не отрицательный, а положительный заряд. Протоны устроены гораздо сложнее — они состоят как минимум из трёх кварков и какого-то количества глюонов. Общее название частиц, составляющих протон, — партоны — от английского слова part — часть. Но протоны представляют собой нечто большее, чем просто набор партонов. Сильные взаимодействия между кварками и глюонами порождают облако виртуальных частиц, о котором мы говорили в контексте перенормировки. Позвольте вкратце напомнить, как это происходит. Кварк может испустить глюон, подобно тому как электрон испускает фотон. Глюон в чём-то похож на фотон, но есть принципиальное отличие: глюон может распасться на несколько глюонов. Те в свою очередь могут распасться на кварки или соединиться с другими глюонами. Все эти испускания, распады и соединения образуют целый каскад. Участвующие в этих процессах частицы называются виртуальными, потому что всё происходит внутри протона и мы не наблюдаем отдельные кварки или отдельные глюоны: они всегда являются составными частями других субатомных частиц. Физики называют такую особенность поведения кварков и глюонов конфайнментом. Как бы эти частицы ни взаимодействовали, они всегда остаются запертыми внутри протона. При столкновении двух протонов они проходят друг сквозь друга, как два заряда дроби, и единственное, что может произойти, — это жёсткое столкновение двух кварков или глюонов. Один из типов событий, регистрируемых на БАК, так и называется: жёсткий процесс. Чаще же кварки и глюоны взаимодействуют более мягко, хотя мягкость здесь весьма относительное понятие: при столкновении двух протонов они обычно полностью разрушаются, рождая более полусотни частиц, бо́льшая часть которых нестабильна.

Чтобы лучше представить себе характер этих столкновений, рассмотрим в качестве примера автомобильный краш-тест, в котором машины сталкиваются лоб в лоб. В большинстве случаев машины разбиваются в лепёшку, но находящиеся внутри манекены, являющиеся аналогами партонов, остаются более-менее неповреждёнными. Это пример мягкого процесса при столкновении двух протонов. В редком неблагоприятном случае обломки манекенов вместе с остатками автомобилей разлетаются в разные стороны — это пример жёсткого процесса. Протон-протонные столкновения чаще всего представляют собой гибрид небольшого числа относительно редких жёстких процессов и множества мягких.

Поспешу также заверить вас, что, вопреки журналистским страшилкам, в высокоэнергетических столкновениях частиц нет ничего опасного. Миллиарды космических частиц ежесекундно вторгаются в земную атмосферу, сталкиваясь с протонами и с атомными ядрами азота и кислорода. То, что происходит внутри Теватрона, и то, что происходит внутри БАК, — не более чем управляемые варианты процессов, происходящих в атмосфере Земли с сотворения мира. Из-за того, что огромное количество столкновений в коллайдерах происходит в сравнительно небольшой области, для уменьшения воздействия возникающей при этом радиации все установки спрятаны глубоко под землёй, но следует заметить, что риск облучения персонала здесь гораздо ниже, чем на атомных электростанциях.

Столкновения ионов золота на первый взгляд очень похожи на столкновения протонов. Каждое ядро представляет собой большой комок нуклонов, состоящих в свою очередь из партонов. При столкновении некоторые партоны сталкиваются жёстко, в то время как остальные — мягко. Подобно протонам, ядра золота при столкновении также полностью разрушаются, рождая буквально тысячи частиц.

Качественно столкновения ядер золота гораздо более катастрофичны, чем столкновения протонов. Возвращаясь к автомобильной аналогии, можно сказать, что столкновения ядер золота похожи на столкновения автомобилей, начинённых взрывчаткой.

При этом возникает очень горячий ядерный шар, который затем быстро сдувается. Этот шар горячее, чем всё, что мы можем себе представить. При обычном химическом взрыве достигается температура в несколько тысяч кельвинов. Температура в центре Солнца достигает 16 миллионов кельвинов. Похожие температуры достигаются при ядерном взрыве. Но температура, достигаемая в RHIC, превышает температуру в центре Солнца в 200 000 раз! Это горячее всего, что можно себе вообразить. Протоны и нейтроны при таких температурах «плавятся», освобождая находящиеся внутри них кварки и глюоны, формирующие кварк-глюонную плазму, о которой я уже упоминал ранее.

Супер-сверх-высокоскоростные столкновения ядер золота приводят к образованию кварк-глюонной плазмы, распадающейся на тысячи высокоэнергетичных частиц

В протон-протонных столкновениях физики вынуждены тщательно отсеивать в поисках суперсимметрии все жёсткие процессы, которые прячутся в общей массе мягких процессов, индуцируемых в ходе тех же самых столкновений. Когда два кварка сталкиваются лоб в лоб, они тут же разлетаются в разные стороны и улавливаются детекторами частиц вместе с осколками протона. В случае столкновения тяжёлых ионов всё происходит совершенно по-другому. Образующиеся в жёстких процессах частицы на долгое (по меркам микромира) время застревают в кварк-глюонной плазме. Такое поведение частиц отражает одно из ключевых свойств кварк-глюонной плазмы. В качестве аналогии можно привести поведение пули в воде. Наверное, вы помните, как в фильмах про Джеймса Бонда шпионы стреляют друг в друга под водой, при этом пули прочерчивают в толще воды красиво подсвеченные следы из кавитационных пузырьков? В реальности же пуля останавливается в воде уже через несколько метров. Говоря физическим языком, длина свободного пробега пули в воде составляет несколько метров. Одной из отличительных особенностей кварк-глюонной плазмы является очень малая длина свободного пробега частиц, рождаемых в жёстких процессах, — она не превышает нескольких размеров протона.

Другой отличительной особенностью кварк-глюонной плазмы является её вязкость. При чрезвычайно высокой плотности кварк-глюонной плазмы её вязкость неожиданно низка. Последнее утверждение нуждается в пояснении. С одной стороны, я понимаю под вязкостью то же, что и большинство домохозяек: мёд вязкий, вода — не очень. С другой стороны, в физике тяжёлых ионов существует резкий контраст между потоком свободных частиц, который считается очень вязким, и сильновзаимодействующей кварк-глюонной плазмой, вязкость которой низка. Казалось бы, что может быть менее вязким, чем поток свободных частиц? Если частицы не сталкиваются друг с другом, откуда возьмётся вязкость? Увы, подобные рассуждения в корне неверны. Представим что-то, имеющее действительно низкую вязкость, в виде набора слоёв, которые могут свободно скользить друг относительно друга. Рассмотрим, например, воду, обтекающую камень: слои воды в непосредственной близости от камня движутся медленно, но чем дальше от камня, тем быстрее движется вода. Расположенные рядом слои как бы смазывают друг друга. Что случится, если мы заменим воду водяным паром? Пар состоит из множества отдельных молекул, редко соударяющихся друг с другом, но часто соударяющихся с камнем. В отличие от воды пар не содержит отдельных слоёв, легко скользящих друг относительно друга, и прокачать ту же массу пара через русло гораздо труднее, чем воду, потому что вода, в отличие от пара, как бы самосмазывается, — получается, что вода менее вязкая, чем пар.

При столкновениях тяжёлых ионов создаются условия, похожие на только что рассмотренный пример с водой, обтекающей камень, за исключением того, что тут нет ни воды, ни камней. Аналогия состоит в том, что сильновзаимодействующая кварк-глюонная плазма своим поведением напоминает низковязкую воду, состоящую из отдельных слоёв, свободно скользящих друг относительно друга, а пучок свободных частиц, редко сталкивающихся друг с другом, — высоковязкий пар. Тот факт, что наилучшее соответствие экспериментальным данным даёт аналогия с низковязкой жидкостью, стал сюрпризом для физиков, а предварительные оценки вязкости, полученные на основе квантовой хромодинамики, оказались неверными: они предсказывали, что кварки и глюоны должны вести себя скорее как пар, нежели как вода.

Ещё одно потрясение ожидало исследователей, когда обнаружилось, что горизонт чёрной дыры имеет вязкость, сопоставимую с той, которая необходима для описания столкновений тяжёлых ионов. Эти теоретические результаты были получены на основе струнно-калибровочной дуальности, о которой я рассказывал в шестой главе. Дальнейшие изыскания показали, что многие аспекты столкновений тяжёлых ионов имеют близкие аналогии с описанием гравитационно-связанных систем. В описаниях таких систем всегда используется дополнительное измерение, но это не одно из тех дополнительных измерений, которые используются в теории струн. Это дополнительное измерение — пятое измерение, которое присутствует в названии главы, — не является свёрнутым, оно ортогонально четырём обычным измерениям, но мы не можем двигаться в нём привычным образом. Оно описывает энергетическую шкалу — характерные значения энергий различных физических процессов. Объединив пятое измерение с четырьмя привычными и любимыми измерениями реального мира, вы получите искривлённое пятимерное пространство-время. Это пространство-время «кодирует» информацию о температуре, потерях энергии и вязкости в своей геометрии. В последнее время много усилий тратится на то, чтобы установить соответствие между пятимерной геометрией и физикой кварк-глюонной плазмы.

Что мы имеем в итоге: мягкие процессы, мешающие физикам разбираться в протон-протонных столкновениях в БАК, становятся ещё более многочисленными в экспериментах по столкновению тяжёлых ионов, где они ведут к образованию кварк-глюонной плазмы. Кварк-глюонная плазма не может быть удовлетворительно описана в терминах взаимодействий отдельных частиц. Её свойства лучше всего становятся понятны, если описывать их в терминах чёрных дыр в пятимерном пространстве с привлечением струнно-калибровочной дуальности.