За пределами таблицы Менделеева. Физики близки к открытию новой материи
Самым тяжелым элементом периодической таблицы на сегодняшний день является оганесон, который имеет атомную массу 294. Как и у других элементов, почти вся масса оганесона состоит из массы протонов и нейтронов (разновидность барионов), которые, в свою очередь, состоят из 3 кварков. Важнейшей особенностью барионной материи является то, что ее кварки неотделимы друг от друга — настолько сильна связывающая их сила. Так как частицы, состоящие из кварков (такие, как протоны и нейтроны), называются адронами, ученые называют основное состояние барионной материи «адронным веществом».
Оганесон может быть единственным элементом в своем роде. В новой статье ученые прогнозируют, что элементы с массой больше 300 могут состоять из свободно перемещающихся «вверх» и «вниз» кварков — таких же, из которых состоят протоны и нейтроны, за тем исключением, что эти кварки не составляют триплеты. Согласно предположениям ученых, этот тип материи, которую называют «кварковой материей из верхних и нижних кварков» (up down quark matter — udQM) может быть стабильным для очень тяжелых элементов, которые могут быть открыты в будущем. Если возможно будет создать их на Земле, они смогут стать новым источником энергии.
Возможность того, что основное состояние тяжелой барионной материи — udQM, а не адронное, описана в статье, опубликованной в «Physical Review Letters» физиками Бобом Холдом, Цзин Реном и Чэнь Чжаном из университета Торонто. Идея о том, что некая кварковая материя может являться основным состоянием барионной материи, не нова. В знаменитом исследовании 1984 года физик Эдвард Уиттен выдвинул предположение, что странная материя (strange quark matter — SQM) могла бы выполнять подобную роль. Однако SQM состоит из примерно одинакового количество верхних, нижних и странных кварков. Результаты одного из последних исследований в этой области же доказывают, что udQM, будучи материей без странных кварков, имеет меньшую энергию на барион, чем SQM или адронная материя, что делает udQM лучшим источником энергии.
«Физики искали SQM десятилетиями. Из наших исследований ясно, что многие ученые искали не там. Один из стандартных вопросов: какое самое низкое возможное энергетическое состояние для достаточно большого числа кварков? Мы утверждаем, что ответ — это не ядерная материя или SQM, но скорее udQM, состоящее из почти что лишенных массы верхних и нижних кварков», — сказали исследователи в интервью ресурсу Phys.org.
Сама идея, что материя из кварков может лежать за пределами периодической таблицы, необычна — по большей части потому, что кварковые материи, как считается, могут существовать только в экстремальных средах, вроде ядер нейтронных звезд, адронных коллайдерах, гипотетических кварковых звездах и в первые миллисекунды во время зарождения Вселенной. При образовании в коллайдере, кварковое вещество, как правило, в пределах доли секунды распадается в стабильное адронное вещество (со связанными кварками).
Физики надеются, что, если минимальная масса элементов с основным состоянием udQM составляет не более 300, возможно будет создать новую форму стабильного вещества путем слияния некоторых других тяжелых элементов. Одной из главных проблем, как ожидается, будет поддержание достаточного количества нейтронов при реакции, однако в целом производство udQM может быть легче, чем производство SQM. Оптимизм ученых вызван тем, что результаты указывают на существования «континента стабильности» — большой области, в которой udQM может иметь самую стабильную конфигурацию, что идеально для будущих попыток производства.
Ученые отмечают, что, если возникнут трудности с синтезом udQM, его также можно будет найти на Земле — он может проникать на планету через космические лучи и тут попадать в ловушку нормальной материи. В будущем исследователи планируют лучше изучить возможность поиска кваркового вещества как на Земле, так и в других местах космоса. Если же им удастся найти какой-либо его источник, то одной — и самой интригующей — из возможностей применения может стать выработка энергии.
«Если мы сможем лучше понять, где искать udQM, это поможет нам реализовать старую идею об использовании кваркового вещества в качестве источника энергии. Если мы найдем его (или сможем создать в ускорителях), можно будет хранить его и подпитывать медленными нейтронами иди тяжелыми ионами. Поглощение этих частиц приведет к понижению общей массы и высвобождению энергии, преимущественно в форме гамма-излучения. В отличие от ядерного синтеза, это должен быть процесс, который легко запустить и контролировать».
Комментарии