Нейтронные звезды представляют для исследователей огромный интерес. Один лишь наперсток их материи не под силу сдвинуть с места даже самым мощным земным механизмам, а внутри у них господствуют экстремальные и чудовищные условия. Но что это значит для состояния ядерной материи? Ответы на это должен обеспечить эксперимент, запланированный для ускорителя частиц FAIR, который сейчас достраивается в немецком Дармштадте.
Художественное изображение пульсара- очень быстро вращающейся нейтронной звезды. © NASA/JPL-Caltech
Как ведут себя атомные ядра в экстремальных условиях, таких, которые имеют место внутри нейтронных звезд? По своему практическому опыту мы знаем, что, например, вода может быть представлена в различных своих фазах (состояниях) - в виде водяного пара, льда или жидкой воды. Но применимо ли нечто подобное и для ядерной материи? Существуют ли наряду с кварк-глюонной плазмой, которая образуется, когда ядерная материя подвергается сильному нагреву, и другие ее формы проявления или агрегатные состояния? И в каких точках находятся переходы между фазами для таких форм проявления ядерной материи?
И это лишь малая толика вопросов, которые необходимо исследовать в рамках готовящегося эксперимента CBM (Compressed Baryonic Matter = «сжатая барионная материя») на уже практически готовом к запуску в работу ускорителе частиц FAIR в Дармштадте. Нейтронные звезды - это остатки мощных звездных взрывов, так называемых сверхновых. При радиусе всего в десять километров они обладают массой, равной трем солнечным массам.
«Это значит, что один наперсток материи нейтронной звезды весил бы столько же, что и куб из цельного железа с длиной стороны в 700 метров. Но какие состояния и формы материи при этом являются преобладающими, мы пока что можем лишь предполагать», - объясняет профессор доктор Карл-Хайнц Камперт. «И целью эксперимента CBM как раз и является воспроизвести их при контролируемых условиях, а затем измерить», - дополняет свою мысль ученый из университета Вупперталя. Его группа физики астрочастиц как раз и отвечает за подготовку центрального компонента CBM - детектора RICH. Этот инструмент представляет собой фотонную камеру с возможностью цифрового увеличение в 70 тысяч раз, которая способна записывать в секунду до десяти миллионов столкновений высокоэнергетических атомов золота.
«За последние годы нам удалось успешно завершить все основные разработки для создания детектора. А последнее финансирования со стороны Министерства науки в размере 1,35 миллионов евро позволило нам воплотить в реальности плоды трудов прошлых лет и создать детектор, который сможет в полном объеме выполнять работу уже через три года», - рассказал доктор Кристиан Раули, руководитель одного из направлений проекта рабочей группы.
Стратегии анализа ожидаемых данных измерений - начиная от идентификации подходящих масштабов наблюдений и заканчивая сравнением с теоретическими предположениями -готовятся профессором доктором Золтаном Фодором и профессором доктором Салманом Сабо и их сотрудниками в рамках рабочей группы теоретической физики частиц. Базовая теория отдельных нуклеонов в общих чертах уже известна науке, и рабочая группа путем вычислений массы протонов и нейтронов с точностью до тысячных долей посредством моделирования на суперкомпьютерах уже смогла ее подтвердить.
Даже при экстремальных температурах в ускорителе частиц цифровой метод зарекомендовал себя крайне успешно, что следует уже из сравнения данных Большого Адронного коллайдера (LHC). «Наибольшим вызовом при этом представляется обобщение стратегии решения в отношении плотностей, которые будут получены в ходе эксперимента CBM», - поясняет Фодор. А Сабо добавляет: «Вывести уравнение состояния при высоких плотностях - это одна из сложнейших теоретических задач. Комбинируя эти результаты с общей теорией относительности, мы сможем предсказывать радиусы нейтронных звезд на основании их массы и даже их максимальные массы».
Но до начала эксперимента CBM, запланированного на 2024 год и проверки теоретических предположений придется запастись еще некоторым терпением. А пока что группа профессора Камперта задействована в уже ведущемся предварительном эксперименте HADES в Институте исследования тяжелых ионов, где они тоже используют свой детектор фотонов RICH.
0
