Фемтографія протону та Трамп.

Зараз США будує проривний прискорювач під назвою Electron–Ion Collider (EIC, я буду писати ЕІК). Його основне завдання розібратися з тим, як побудований протон всередині. Зроблять протону три-де МРТ, корочі. Але там в процесі дуже багато буде ще цікавого. На відміну від Великого Адронного Колайдеру ЕІК зможе краще досліджувати глюони, та і загалом можна буде перевірити багато речей з квантової хромодинаміки. Він скоріш за все зможе перевірити практично існування нового стану матерії - Color Glass Condensate. Це дуже важливо, чому ви зрозумієте потім. ЕІК перевірить фізику нейтрино, дозволить підтвердити або спростувати деякі теорії виникнення космічних променів, деякі ефективні теорії поля і багато чого ще. Корочі прям топовий інструмент.

І знаєте що? Ті хто подумав, що проєкт відмінили, можуть видихнути. У проєкту ЕІК фінансових проблема нема. Хоча він і фундаментальний, а зараз в США всі фундаментальні дослідження під загрозою. Колайдер навіть не переназвали на честь Трампа. Скоріше за все, тому що Трамп ще не знає про його існування, хоча у підсумку він буде коштувати США думаю десь 3 мільярда баксів.

Веде цей колайдер Брукгейвенська національна лабораторія на Лонг-Айленді, одна з 16 лабораторій Міненерго США. Так, Міненерго в США це не наші остолопи, і вони і такі речі досліджують. Зараз у США новий міністр енергетики, відомий діяч у сфері видобутку нафти Кріс Райт, від чого у певних наукових колах стоїть вой. Бо він кліматичний скептик, екологічний пофігіст, нафтогазовий лобіст і так далі. Один з засновників сланцевої революції до речі, на чому і розбагатів. З бізнесу чувак.

Але на щастя він не ядерний фізик, і такого бедламу у фундаменталці прискорювачів, як Маск у космічних телескопах та місіях не навів. Він туди просто не лізе, і проєкт плавно собі продовжує розвиватися з 2020 року. Окрім федерального фінансування є ще і місцеве (штат Нью-Йорк дав 100 лямів баксів). Уявив собі, як Київська облрада видає фінансування на фундаментальні дослідження і розплакався. Є у проєкту, навіть, і міжнародне фінансування. З міжнародним тепер певні проблеми (бріти скоротили участь наприклад), але думаю виправлять, бо цей інструмент потрібен всім. Хоча перспективи випадкового арешту айсівіцями міжнародних вчених в США нікого не радують.

Тим не менш 6 лютого 2026 року Конгрес затвердив чергове фінансування проєкту, і це вже перехід від фази проєктування та досліджень, до безпосередньо побудови. Тендери вже йдуть.

І що таке бажають дослідити у протоні всі ці поважні люде, чому навіть у сьогоднішні часи в США Брукгейвенській лабораторії не ріжуть бюджети взагалі і на цей проєкт конкретно? Ну по-перше, тому що міністр енергетики США це не міністр охорони здоров’я США, і тим більше не міністр енергетики України. А по-друге, ми нічого впевнено не знаємо про те, як по факту побудований протон (в нас є тільки моделі). Але ми дуже хочемо дізнатися.

Окей скажете ви. А в чому проблема? Протон складається з трьох кварків, які скріплюються глюонами, переносниками сильної взаємодії. Таке вже навіть у школах вчать.

Так-то воно так. Але не так.

Спочатку є питання стабільності протона. Стандартна модель вважає протон стабільним. І ми не бачимо, аби протони у звичайній матерії розпадалися, разом з самою цією матерією. Але найбільш мейнстрімні поточні Теорії Великого Об’єднання (оті всі спроби ув’язати між собою всі відомі взаємодії, окрім гравітації) кажуть нам, що протон повинен розпадатися.

Пов’язано це з тим, що попри воплі катедри квантової механіки, теорії об’єднання дійсно кажуть, про те що кварки (з яких складається всі ядра всіх атомів) та лептони (наприклад, електрони та нейтрино) можуть бути різними станами одних і тих самих полів. Точніше кварки і лептони можуть входити в одну мультиплетну структуру симетрії. Тобто, якщо спрощено та неправильно, колись вони були одним полем, але тепер енергії менші і вони як би розділилися і живуть по окремих правилах.

А якщо це десь всередині (на недосяжному бекенді Всесвіту, якого без високих енергій просто не побачити) одне і те саме, просто воно В ПОТОЧНИХ УМОВАХ ЗАЗВИЧАЙ веде себе по різному, то іноді і поєднання кварків може стати лептоном. Точніше, наприклад, протон повинен перетворюватися на позитрон та нейтральний піон. Всі кажуть розпадатися, замість перетворюватися, але мова тут саме про перетворення, бо протон не складається з позитрона та піона. Він складається з кварків, які всі разом перетворюються на позитрон та піон. Бонусом це обʼєднання, якщо теорія вірна, подарує нам ще пару теоретичних бозонів (звуть X- та Y-бозони).

Всі теорії великого об’єднання розрахували вірогідність розпаду протону і ми почали перевіряти чи протони розпадаються. Але з перевіркою вийшли проблеми. Протони здається не розпадаються. В СЕРЕДНЬМОУ один протон повинен розпадатися за 10 у 34 або 36 степенів років. Це дуже багато років. Навіть для того аби записати у скільки разів це більше ніж час існування Всесвіту знадобиться більше 20 нулів.

І як ми таке перевіряємо за розумний строк, спитаєте ви? Ну, насправді дуже просто. Бо якщо один протон розпадається за 10 у 34 степені років, то за декілька років один з 10 у 34 протонів повинен розпадатися. А така кількість протонів це просто, наприклад, 30 000 тон води. Тому детектори розпаду протонів це просто такі цистерни з водою та детекторами під землею, які повинні побачити, як випавший з протона піон розкладеться на два фотона певних енергій. І щось ми нічого не бачимо. 40 років. І ось уже 50 000 тон води у Super-Kamiokande багато років не можуть нічого побачити. При тому що цей детектор попередить вас про вибух Бетельгейзе за пару тижнів до того, як на небі зв явиться джерело світла порівняне з Місяцем. Буде час підготуватися та залізти в бункер.

Чому так? Може там і не 34 степінь, а 36 (спочатку думали взагалі що 31), а може протон і не розпадається. Але без експериментального підтвердження розпаду протона всі мейнстрімні теорії об’єднання лише гіпотези. Відсутність підтверджень розпаду протону звісно не зупиняє розвиток теорій об’єднання, але виникають питання до самої суті цих теорій.

Так от ЕІК розпад протона не перевірить. Але розуміння внутрішньої структури протона зможе дати більш точні розрахунку по часу, який може бути потрібний протону для розпаду. І це буде важливо прям фундаментально.

А тепер до внутрішньої структури протона. Тут взагалі торба.

Насправді протон не складається з трьох кварків. Він складається з безлічі кварків та антикварків, кількість яких може суттєво мінятися від зовнішніх умов, наприклад від швидкості (енергії) протона.

Справа в тому, що якщо порахувати масу кварків з яких офіційно, так би мовити, складається протон, то вийде що вони дають лише 1% від маси протона. Інша маса забезпечується енергією взаємодій кварків всередині протону, глюонів і їх взаємодії між собою та кварк-антикварковими парами. Але і це не все.

На практиці це можна пояснити так. В протоні є три так би мовити постійних, або як їх ще називають, валентних кварка. Два У-кварка і один Д-кварк. Вони визначають майже всі параметри протона, окрім, наприклад маси та спіну. Між собою вони взаємодіють за допомогою глюонів, які їх склеюють у одну частинку у вигляді протону. Глюон це бозон сильної взаємодії. Але ще додатком для всього цього протон складається з десятків кварків та антикварків, які постійно створюються та анігілюють самі з собою. І ці невалентні кварки та антикварки дають протону ЧАСТИНКУ маси.

Чому при цьому оці три кварка є валентними, а інші просто тиняються як горобець по сараю вам ніхто не скаже. Загалом можемо постулювати певну діч. Бо виходить дивна ситуація, коли вся звична для нас матерія по суті матерією і не є, а є такими самими квантовими полями з певними енергіями, які на мінімальних відстанях і на навколосвітлових швидкостях тусуть у чомусь, що ми вважаємо частинкою під назвою протон. І чому природу матерії визначають якісь три окремих кварка, а 99% всіх інших визначають хз пойми що, ми також не дуже розуміємо. При цьому і сам протон має квантові характеристики, і може, наприклад, телепортуватися ака тунелювати. І він точно може це робити, інакше б Сонце не могло світити, бо без квантового тунелювання термоядерний синтез у зірках розміром з Сонце був би неможливим. Тупо енергії не вистачить, навіть у ядрі Сонця, на те аби перестрибнути кулонівський бар’єр.

Далі ще гірше. На відміну від, наприклад, електромагнітної взаємодії сильна взаємодія набагато більш складна суто для математичного опису. Фотон не має електричного заряду і сам собі античастинка. І, умовно, коли два електрони, які мають електричний заряд, взаємодіють між собою за допомогою фотону (хоч реального, хоч віртуального) у вас все відносно просто. Бо один фотон, так би мовити, у звичайних умовах «не бачить» інші фотони. Бо і сам фотон і інші фотони не мають електричного заряду, на який повинні реагувати. І їх можна, так би мовити, описувати окремо. І відносно просто.

А от глюони мають кольоровий заряд. А сильна взаємодія як раз оперує кольоровими зарядами. Відповідно глюони ПОВИННІ сильно взаємодіяти між собою, бо вони несуть кольоровий заряд. На відміну від фотонів, які електричного заряду не несуть. Але так як сильна взаємодія забезпечується саме глюонами (глюон це бозон сильної взаємодії, як фотон бозон ЕМ взаємодії), то два глюона можуть провзаємодіяти між собою тільки за допомогою третього глюону. Відповідно у вас глюон може випромінити (тобто створити) інший глюон. Або поглинути. Тобто глюони прямо виникають нізвідки і зникають внікуди. Порушення закону збереження енергії тут нема (або нема макроскопічно), бо енергію вони беруть з власного поля і повертають туди ж. А ця енергія і є, умовно, протоном. Тому тут все добре, проблема в іншому. Через вказані факти сильна взаємодія є нелінійною теорією поля, і ЦЕ ПРЯМ ВЕЛИЧЕЗНА ПРОБЛЕМА, якщо ви бажаєте це якось там математично описати хоча б. Не те що зрозуміти.

Бо у вас є типу кварки у протоні. Вони коли взаємодіють обмінюються глюонами. Але і самі глюони між собою також обмінюються глюонами, для чого ці нові глюони і створюються. І кожен новий глюон, який ЗМУШЕНИЙ взаємодіяти зі всім що існувало до цього, також повинен або створити, або поглинути глюон. І так без кінця. Тупо хаос. Ще у ЕМ-взаємодії два заряди – плюс та мінус. А у сильної взаємодії ТРИ заряди. Заряди ці називаються кольорами, і аби отримати нейтральну частинку ті кольори повинні змішуватися за певними правилами.

Тому то зараз і кажуть, що умовно протон це три валентних кварки і кварк-глюонне море, тобто певний хаос виникнення невалентних кварків та глюонів та їх зникнення. Яким там той хаос може бути розраховувати заманаєшься, саме тому і потрібні досліди на спеціалізованих колайдерах. Щоб хоча б щось з розрахунків можна було викинути, інакше розрахувати не виходить ніяк.

І саме правила цього хаосу і визначають те, чим по суті є звичайна матерія у нашому світі. Бо наприклад саме цей хаос породжує так званий конфаймент. Через який ми не бачимо окремих кварків і кваркової матерії, а бачимо саме протони, чи там нейтрони. І відповідно атоми. Якщо ви вирішите розділити кварки між собою у протоні, просто тупо розвести їх подалі у просторі, аби відокремити один кварк, сильна взаємодія через глюони завадить вам це зробити. Це можна пояснити на поганому, але зрозумілому прикладі. Для того аби розвести кварки між собою вам треба витратити якусь енергію. Витрати енергії призводять до того, що у кварк-антикварковому морі підвищується потенціал їх власного поля і їх виникає все більше. Вони потребують все більшої кількості глюонів для взаємодії. А ці глюони, самі по собі, для власної взаємодії створюють все більше інших глюонів. І бах, замість двух окремих валентних кварків, розведених подалі, ви отримуєте чотири. Кожен з розділяємих вами кварків використає енергію, яку ви витратили на їх розділення, для того аби створити собі пару та зоопарк глюонів для того аби триматися разом.

Це і пояснює чому сильна взаємодія, на відміну від всіх інших взаємодій ЗРОСТАЄ від відстані, а не зменшується. Далі знову зовсім некоректне, але зовсім зрозуміле пояснення. Бо навіть без витрат енергії на розділення кварків, для того аби кварки продовжували взаємодіяти на більших відстанях глюон повинен УМОВНО пролетіти більшу відстань між кварками. А значить встигне провзаємодіяти з більшою кількістю інших глюонів та кварк-антикварків з моря. А так як ця взаємодія можлива тільки за допомогою глюонів, то їх відповідно стане більше. І вони почнуть взаємодіяти між собою і їх стане ще більше. І чим далі тим більше. Тому сильна взаємодія зростає від відстані, бо сам бозон цієї взаємодії вимагає інших бозонів такої взаємодії, якщо просто існує якийсь час.

Але все у Всесвіті рухається у бік зменшення енергії, тому глюони буквально склеюють (глю це клей) кварки у зрозумілу нам матерію, бо чим менша відстань, тим менші витрати енергії, бо треба менше глюонів. І саме глюони та правила їх взаємодії між собою не дають матерії розпастися на окремі кварки.

Саме тому наш світ складається з матерії, яка складається з атомів, у яких ядра складаються з протонів та нейтронів, а ті в свою чергу з певної кількості валентних кварків. І якогось моря, параметри якого нам треба зрозуміти більш детально.

Принаймні у звичайних умовах все складається з такої матерії. Можливо у деяких нейтронних зірках тиск та щільність матерії такі, що там навіть кварки можуть існувати окремо. Бо енергії вистачає аби переважити сильну взаємодію. Ми шукаємо серед нейтронних зірок кваркові, але наші інструменти поки що не дають нам визначити, чи можуть кварки існувати окремо у нейтронних зірках. Ну і десь у такому вигляді вся матерія існувала під час Великого Вибуху. Або існує і зараз під горизонтом подій чорних дір. Якщо там нема ще якогось бекенду Всесвіту, де і кварки не є кінцевою формою існування (правил взаємодії) полів.

Детальне дослідження фемтографії протону дозволить нам багато чого зрозуміти і про Великий Вибух відповідно. Не прямо, але ідеї стопудово будуть.

Ну і тепер про сам колайдер, сподіваюсь руки до нього у Трампа не дійдуть і його таки добудують.

Основна ідея пуляти електронами у іон. Іоні водню це фактично протони, але колайдер побудований так, аби мати можливість стріляти і в більш важкі ядра атомів, які мають і нейтрони. Це важливо, бо вважається, що протони, так би мовити, різні, і у водні одне море, а у золоті інше. Дефект маси і ось це все, може так, а може і ні. Одне кільце буде розганяти електрони, інше протони або там ядра. Електрон не бере участі у сильній взаємодії і відповідно може врубитися у кварк-глюонне море протона, і далі віртуальними фотонами навести там шухер. Кварки мають нецілий електричний заряд, тому з фотоном провзаємодіють. Глюони НЕ мають електричного заряду, але вони повинні взаємодіяти і самі з собою, і з кварками, а значить по розльоту результатів зіткнення ми багато можемо зрозуміти, як ведуть себе всі частинки протону, де вони там локалізовані, яка щільність і так далі. Саме тому і кажуть, що зроблять протону МРТ.

Чому це важливо і чому Конгрес таки порізав НАСА (але менше ніж хотів Білий Дім) і не чіпав, наприклад, ЕІК?

Китай, який раніше був скоріше сконцентрований на побудові колайдерів та прискорювачів для дуже практичних потреб, тепер заходить у велику фундаментальну гру. Якщо Європа не побудує FCC, то новий китайський суперколайдер вставить навіть ЦЕРН. Чисто за параметрами, звісно. Після цього міжнародні вчені підтягнуться в Китай, нікуди їм буде дітися, бо експерименти можна буде поставити тільки у Китаї. Натомість тепер ми бачимо, як Європа та США починають економити бабки, та просувати достатньо спеціалізовані проєкти.

Дуже сподіваюсь, що відсутність бажання програти китайцям у пошуку природи всього, збереже хоча б поточний рівень США у побудові прискорювачів. І поки що сподівання справджуються, і Конгрес США виділяє бабло на фундаментальну науку. Думаю чисто пощастило, що Райт це не Маск. Бо результати ракових ідей Маска по колонізації Марсу, здається, у найближчі десять років призведуть до того, що у фундаментальних дослідженнях космосу першим може стати Китай. Конгрес звісно захистив НАСА від Білого Дому, але такий ідіотизм не проходить без наслідків.

На цьому все.