Para fizyków ogłosiła odkrycie zdarzenia subatomowego tak potężnego, że badacze zastanawiali się, czy upublicznienie go jest zbyt niebezpieczne.
Wybuchowe wydarzenie? Duet pokazał, że dwie małe cząsteczki zwane kwarkami dolnymi teoretycznie mogą się stopić w potężny błysk. Rezultat: większa cząstka subatomowa, druga, zapasowa cząstka znana jako nukleon i cały bałagan energii wylewa się do wszechświata. Ta „kwarksplozja” byłaby jeszcze silniejszym subatomowym analogiem poszczególnych reakcji syntezy jądrowej zachodzących w rdzeniach bomb wodorowych.
Kwarki to małe cząsteczki, które zwykle przylegają do siebie, tworząc neutrony i protony w atomach. Występują w sześciu wersjach lub „smakach”: góra, dół, góra, dół, dziwne i urocze.
Zdarzenia energetyczne na poziomie subatomowym są mierzone w megaelektronowoltach (MeV), a kiedy dwa kwarki stopią się, fizycy odkryli, że wytwarzają potężne 138 MeV. Jest to około osiem razy silniejsze niż jedno z pojedynczych zdarzeń syntezy jądrowej, które mają miejsce w bombach wodorowych (wybuch na pełną skalę składa się z miliardów tych zdarzeń). Bomby H łączą ze sobą maleńkie jądra wodoru zwane deuteronami i trytonami, tworząc jądra helu, wraz z najpotężniejszymi eksplozjami w ludzkim arsenale. Ale każda z tych indywidualnych reakcji wewnątrz bomby uwalnia tylko około 18 MeV, zgodnie z Archiwum Nuclear Weapon, strona internetowa poświęcona gromadzeniu badań i danych na temat broni jądrowej. To o wiele mniej niż stopione kwarki 138 MeV.
„Muszę przyznać, że kiedy po raz pierwszy zorientowałem się, że taka reakcja jest możliwa, przestraszyłem się” - powiedział Live Science współzbadacz Marek Karliner z Uniwersytetu Tel Aviv w Izraelu. „Ale na szczęście jest to kucyk jednopłatowy”.
Choć reakcje syntezy jądrowej są tak potężne, samo wystąpienie syntezy jądrowej nie jest wcale niebezpieczne. Bomby wodorowe czerpią swoją ogromną moc z reakcji łańcuchowych - kaskadowego połączenia wielu jąder jednocześnie.
Karliner i Jonathan Rosner z University of Chicago ustalili, że taka reakcja łańcuchowa nie byłaby możliwa w przypadku kwarków dennych i przed opublikowaniem prywatnie podzielili się swoimi spostrzeżeniami z kolegami, którzy się zgodzili.
„Gdybym przez mikrosekundę myślał, że ma to jakieś zastosowania wojskowe, nie opublikowałbym tego” - powiedziała Karliner.
Aby wywołać reakcję łańcuchową, producenci bomb nuklearnych potrzebują dużych zapasów cząstek. A ważna właściwość kwarków dennych uniemożliwia gromadzenie zapasów: znikają one z istnienia zaledwie 1 pikosekundę po ich utworzeniu lub mniej więcej w czasie, gdy podróż zajmuje połowę długości pojedynczego ziarna soli. Po tym czasie rozpadają się one na znacznie bardziej powszechny i mniej energetyczny rodzaj cząstek subatomowych, znany jako kwark górny.
Naukowcy twierdzą, że możliwe jest wygenerowanie pojedynczych reakcji syntezy kwarków dennych w akceleratorach cząstek o długości mil. Ale naukowcy twierdzą, że nawet wewnątrz akceleratora nie można zebrać wystarczająco dużej masy kwarków, aby wyrządzić jakiekolwiek szkody na świecie. Więc nie musisz się martwić o dolne bomby kwarkowe.
Odkrycie jest jednak ekscytujące, ponieważ jest to pierwszy teoretyczny dowód na to, że można połączyć cząstki subatomowe ze sobą w sposób, który uwalnia energię, powiedział Karliner. To zupełnie nowe terytorium w fizyce bardzo małych cząstek, możliwe dzięki eksperymentowi w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN, ogromnym laboratorium fizyki cząstek w pobliżu Genewy.
Oto, w jaki sposób fizycy dokonali tego odkrycia.
W CERN cząsteczki przesuwają się wokół 17-kilometrowego (27 kilometrów) podziemnego pierścienia z prędkością bliską prędkości światła, zanim zderzą się ze sobą. Następnie naukowcy używają potężnych komputerów do przesiewania danych z tych kolizji, a dziwne cząsteczki czasami wyłaniają się z tych badań. W czerwcu w danych z jednej z tych kolizji pojawiło się coś szczególnie dziwnego: „podwójnie oczarowany” barion lub nieporęczny kuzyn neutronu i protonu, sam złożony z dwóch kuzynów kwarków „dolnych” i „górnych” znane jako kwarki „urokowe”.
Teraz kwarki uroku są bardzo ciężkie w porównaniu do bardziej powszechnych kwarków w górę iw dół, które tworzą protony i neutrony. A kiedy ciężkie cząstki łączą się ze sobą, przekształcają dużą część swojej masy w energię wiążącą, aw niektórych przypadkach wytwarzają wiązkę resztkowej energii, która ucieka do wszechświata.
Kiedy łączą się dwa kwarki uroków, odkryli Karliner i Rosner, cząsteczki wiążą się z energią około 130 MeV i wypluwają 12 MeV w pozostałej energii (około dwóch trzecich energii fuzji deuteron-triton). Ta zauroczona fuzja była pierwszą reakcją cząstek na taką skalę, która kiedykolwiek emitowała w ten sposób energię, i jest głównym wynikiem nowego badania, opublikowanego wczoraj (1 listopada) w czasopiśmie Nature.
Jeszcze bardziej energetyczna fuzja dwóch kwarków dennych, które wiążą się z energią 280 MeV i wypluwają 138 MeV podczas ich stapiania, jest drugą i potężniejszą z dwóch odkrytych reakcji.
Jak dotąd reakcje te są całkowicie teoretyczne i nie zostały wykazane w laboratorium. Ten następny krok powinien wkrótce nadejść. Karliner powiedział, że spodziewa się pierwszych eksperymentów pokazujących tę reakcję w CERN w ciągu najbliższych kilku lat.
Uwaga redaktora: Ten artykuł został zaktualizowany, aby poprawić stwierdzenie, że najlepsze kwarki tworzą neutrony i protony. W górę i w dół kwarki tworzą protony i neutrony.
