Прорыв за край мира

Предыдущий фазовый переход случился в первые доли секунды при температуре Вселенной около 200 МэВ. Именно тогда возникли протоны и нейтроны, из которых ныне состоит наш мир. До этого существовали лишь свободные кварки и глюоны, составлявшие вместе с электронами, мюонами, фотонами и нейтрино газ релятивистских частиц. По мере остывания кваркам оказалось выгодно объединиться в тройки. Так устроены сильные взаимодействия: их источником является так называемый «цветовой» заряд. Термин «цвет» введен потому, что этот заряд «трехзначен»: удобно назвать состояния заряда «красный», «зеленый» и «синий» — тогда их комбинация будет «белой» — нейтральной. Именно поэтому кварки объединились по три, чтобы дать нейтральные по цвету капельки, известные нам как протоны и нейтроны, — так стало энергетически выгодно с падением температуры. На языке физики частиц это явление называется «кон-файнмент» (пленение, удержание).

Точнее, фазовый переход от газа кварков к нуклонам был не фазовым переходом, а кроссовером. Разница хорошо видна на обычной фазовой диаграмме воды. Четкая линия, разделяющая воду и пар, заканчивается в критической точке. Пересечение этой линии есть классический фазовый переход. Но путь от воды к пару может обходить критическую точку сверху, как показано на рисунке, тогда никаких резких скачков не происходит и всё меняется плавно.

_{Рис. 16.1. Фазовая диаграмма воды}

В случае с фазовым переходом к конфайнменту привыкли рисовать фазовую диаграмму, поменяв оси и используя плотность кварков вместо давления:

_{Рис. 16.2. На этой диаграмме трек в ранней Вселенной проходит намного левей критической точки. Данный фазовый переход пытаются смоделировать в лаборатории — на ускорителях тяжелых ионов (как ни удивительно, с хорошими шансами на успех).}

При столкновениях тяжелых ионов на Большом адроном коллайдере (он может ускорять не только протоны но и тяжелые ионы) или RHIC в Брукхейвене получается трек ближе к критической точке, но всё же за ней. А вот на строящихся коллайдерах тяжелых ионов NICA (в Дубне) и FAIR (в Дармштадте), как утверждается, они попадут прямо в фазовый переход.

Изменился ли вакуум при фазовом переходе к конфайнменту? На этот вопрос принято отвечать положительно: к «морю» ненаблюдаемых частиц, составляющих вакуум, добавились составные частицы — кварк-антикварковые пары, примером которых являются я-мезоны.

Теперь перейдем к предыдущему фазовому переходу где-то при 100 ГэВ. Это более фундаментальный фазовый переход, поскольку вакуум претерпел более радикальное изменение — он заполнился ненулевым фундаментальным полем — тем самым полем Хиггса.

Мысль о том, что с теорией электрослабых взаимодействий должен быть связан фазовый переход в ранней Вселенной, возникла вскоре после появления теории электрослабого объединения Вайнберга-Салама. Первым об этом написал Давид Киржниц в 1972 году. Он обратил внимание, что теория электрослабых взаимодействий очень напоминает теорию сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау. Там фотон подобно W-бозону приобретает массу, что наблюдается как эффект Мейснера: магнитное поле выталкивается из сверхпроводника. И там есть критическая температура, выше которой сверхпроводимость исчезает. Значит, и в теории электрослабых взаимодействий должна быть критическая температура, а в ранней Вселенной до определенного момента температура была выше критической. И когда-то (по мере остывания Вселенной) произошел фазовый переход.

Это была лишь общая идея, а вскоре вышла более основательная работа Давида Кижница и Андрея Линде, где этот фазовый переход уже исследуется детально с количественными оценками. Тогда же появились и работы других авторов. Кстати, это, судя по всему, тоже был кроссовер, а не фазовый переход — это важно с точки зрения барионной асимметрии (см. врезку): при кроссовере нет выхода из термодинамического равновесия, необходимого для появления избытка барионов над антибарионами. Следовательно, причину барионной асимметрии Вселенной надо искать где-то еще. Так или иначе фаза сменилась, поле Хиггса стало ненулевым, электромагнитные взаимодействия стали отличаться от слабых.

_{16.13. Давид Абрамович Киржниц (1926-1998), сотрудник Теоретического отдела ФИАН, член-корр. РАН}