Нитевидная материя на встречных пучках

Нитевидная материя на встречных пучках

Б.У.Родионов

К семидесятилетию Фангиля Ахмадгареевича Гареева – пионера глобального резонанса

Национальный исследовательский ядерный университет (МИФИ) Кафедра экспериментальной ядерной физики и космофизики

Часть 1. Что нового может появиться на встречных пучках

Вихри кварк – глюонной плазмы

Магнитное взаимодействие в вихре строит кварковые нити

Заряженный кварковый вихрь

Кварковый магнит

Растущая из плазмы кварковая нить

Кварк- глюонная плазма

Кварк-глюонные вихри неограниченно удлинняются, захватывая кварки из

атомных ядер окружающей среды

Насколько опасны кварковые вихри

Что можно потерять, а что - приобрести?

?

Неизвестные виды материи и энергии

Неизвестная тёмная материя Известная материя - менее 5% массы вселенной Неизвестная «тёмная» энергия

Сферические (обычные) и цилиндрические атомы - флюксы

Ядра Длина цилиндра - флюкса не ограничена Электронные оболочки ядер

Формы нитевидной материи

Цилиндрические нити с «надетыми» на них вращающимися заряженными частицами. Тороидальные колечки с «обмотками» из вращающихся заряженных частиц. Динамичное сочетание «цилиндров» с «торами», когда флюксовая нить, изгибаясь, формирует на каком-то своём участке колечко – «тор», а «колечко», распрямляясь, переходит в элемент «цилиндра».

Нейтральный (безэлектронный) вихрь

Вместе с u- кварками, вращающимися в одну сторону, d- кварки (или u и ?) могут вращаться в противоположную сторону. В случае полной компенсации зарядов кварков (когда, например, на один u- кварк приходятся два d-кварка) вихрь по кварковому составу алогичен нейтральным частицам и имеет нулевой линейный заряд. Такой нейтральный вихрь не имеет электронной оболочки.

Ядерные превращения на флюксах

Квант магнитного потока в u-кварковом соленоиде Бозе-жидкость – электронная оболочка флюкса Слияние (синтез) обычных сферических атомных ядер Ферми- газ –электронная оболочка обычного сферического атома (уменьшена в тысячу раз)

Флюкс-якоря

Из многочисленных узлов и сгущений нитей могут быть устроены флюксовые «якоря», «вмороженные» в твердое атомно-молекулярное вещество. Расстояние между частями «якоря» -свёрнутой в клубок нити – в этом случае меньше диаметра атомов (~ 10-8 см).

Часть 2. Нити в природе

Звездные флюкс-клубки - галактики

Гигантские облачные нити в атмосфере

Циклон

Грозовые флюкс-объекты

Торнадо (смерч)

Грозовое облако Линейные и шаровые молнии Вращающийся флюкс-вихрь

Радиационно - плазменные шаровые молнии

Атом Флюкс Магнитный кончик флюкса Силовые линии магнитного поля Плазма Ионизирующее излучение

«Холодные» шары Теслы

Избыток водорода

Флюкс-оболочка шара, расправившаяся под действием кулоновских сил Переносимый предмет

Флюкс - пинч

Силы Ампера, стягивая фемтонити (флюксы) с одинаково направленными токами, могут создать в обычном веществе: Термоядерный канал Нейтронный канал Страпельку - strangelet Черную дыру Космическую струну

Атомно-плотные флюкс-слои

Плотность флюксов в атомно-плотной вате - Масса 1 куб.см флюкс-ваты - Площадь монослоя из 1 куб.см флюкс-ваты - Масса 1 кв.см монослоя атомно-плотной ваты ~ мг Радиус монослойной сферы из 1 куб.см ваты - Объем сферы 4?R3/3 ~ 105 м3 Грузоподъёмность сферы -

Часть 3. Исходные положения флюкс- модели

Квант магнитного потока

Пусть в системе отсчёта, неподвижной относительно магнитного поля, вращается заряженная частица. На неё действуют силы - Лоренца fL = (v/c)?q?H и центробежная fC = ? ? mv?/r, где H – напряженность магнитного поля, v – скорость частицы, q – её электрический заряд, ? – Лоренц-фактор, m – масса и r – радиус вращения. Из равенства этих сил получаем Р = qrН, где Р – импульс частицы в энергетических единицах. Из условия квантования проекции момента импульса Pr/c = Lh на ось вращения частицы имеем ?r?· qH = ?chL и магнитный поток Ф = ?r?H = (?ch/q) ? L = Ф0L, где L = 1, 2, … Таким образом, магнитный поток Ф внутри круговой орбиты частицы состоит из целого числа элементарных квантов магнитного потока Ф0 = (?ch/q)

Всякий круговой ток заключает в себе целое число N квантов магнитного

потока Фо

Флюксоиды

Если электрический заряд частицы равен элементарному единичному заряду е, то такой квант магнитного потока называют (начиная с братьев Фрица и Гейнца Лондонов, с середины ХХ века) флюксоидом. Флюксоид имеет размерность электрического заряда, а его безразмерные выражения через элементарный заряд и постоянную тонкой структуры ?: Ф0 /е = (?ch/е?) = ?/? ? 430. Обобщение понятия флюксоида Ф* для любых частиц с электрическим зарядом q = е*: Ф* = (?ch/е*) = ?е*/?* = = ?е* ?*/ r* = 2??*/r*, здесь ?* - магнитный момент частицы, r* - её классический радиус, ?* - комптоновская длина.

«Флюксоидальность» волн де Бройля

Подставив в выражение для импульса Р = qrН величину напряженности магнитного поля Н = Фо/?r?, выраженную через радиус вращения r частицы единичного заряда и флюксоид Ф0, получим Р = еr ? (?ch/е)/(?r?) = ch/r или r = ch/Р = h/р = ?, то есть радиус вращения частицы около флюксоида равен её длине волны де Бройля ?.

«Электромагнитная» природа квантовой механики

Фо

«Вращение» частиц при их движении - грубая модель квантовомеханического (ментального) движения, доступная языку классической механики.

Магнитный поток соленоида

Напряженность магнитного поля Н внутри соленоида, длина которого существенно больше его радиуса r, Н = 4?j/с Здесь j = е*?*v/2?r - ток на единице длины соленоида, ?* - число вращающихся на единице длины со скоростью v одинаковых зарядов е*. Магнитный поток Ф = Н ? ?r?

Полная энергия вращающегося заряда

При r = ? = Lсh/Р, где L – орбитальное квантовое число, ? – длина волны де Бройля, Р – импульс вращающейся частицы, находим величину магнитного потока Ф = Н ? ?r? = 2?L?*е*сh/Е, через полную энергию частиц Е = Р/?. Приравняв полученный магнитный поток целому числу N квантов ?о, получим Е = 2?*е*?(L/N). Таким образом, полная энергия Е каждого вращающегося заряда е* флюксоида квантована (L, N = 1, 2, 3, … ) и прямо пропорциональна числу зарядов на единице длины флюксоида ?*.

Часть 4. Электроные аналоги флюксов - вихри в сверхпроводниках

Куперовские пары

Энергия магнитной связи W двух одинаковых частиц с магнитным моментом ?: W ~ ??/d? = (е*h/2mс)?/d? , где d – расстояние между магнитными диполями, а m – их масса. Для двух электронов, находящихся на расстоянии порядка атомного (d ~ 10-8 см), W ~ 10-16 эрг ? 10-4 эВ. Это соответствует температуре частиц порядка 1 К, при которых в некоторых металлах электроны образуют куперовские пары и эти металлы становятся сверхпроводниками.

Критическое магнитное поле

В магнитном поле с напряженностью Н энергия переворота частицы со спином ? равна 2?Н. Сравнивая эту энергию с энергией, необходимой для переворота электрона и разрыва куперовской пары в сверхпроводящем металле, получим правильную оценку так называемого критического магнитного поля, разрушающего сверхпроводимость: Н ~ 10 кГс, магнитная индукция ~ 1 Тл.

Вихрь Абрикосова как сверхпроводящая трубка

В вихре Абрикосова напряженность магнитного поля Н = Ф0 /?r? ? 105 Гс = 10 Тл (здесь r – радиус вихря Абрикосова). Поскольку магнитное поле внутри вихря больше критического, куперовские пары там отсутствуют, и сверхпроводимость внутри вихря Абрикосова разрушена.

Критическая плотность вихрей Абрикосова

Поскольку вихрь Абрикосова в нашей квазиклассической модели представляет собой электронную вихревую трубку, внутри которой нет вращающихся электронных пар, то сверхпроводимость разрушается во всём сверхпроводнике 2-го рода, когда вихри Абрикосова плотно заполняют его объём. Это и наблюдают в экспериментах при критической напряженности магнитного поля.

Часть 5. Оценка параметров флюксов

Цилиндрический кварковый вихрь

Рассмотрим вихрь из u-кварков и с d – кварками на переферии со «средней» линейной плотностью кварков ? порядка 1014 см -1. Фермионы в таких цилиндрических вихрях объединены в пары. Модуль проекции момента импульса кварка на ось цилиндрического вихря Рr ? ?Мr = Lсh, откуда ? ? Lсh/Мr = L (сh/е*? ? е*?/М)/r = L r*/?*r, где ?* = (е*?/сh). Приравнивая этот лоренц-фактор полученному ранее ? = 2r*?* (L/N) для числа зарядов на единице длины ?* и с классическим радиусом частицы r*, получим «N –соотношение» N ? 2?*?*r.

Линейная квазинуклонная плотность кварков

Оценим число вращающихся кварков ?* в цилиндрическом вихре на единичной длине, полагая, что плотность кварков в вихре такая же, как и плотность валентных кварков в нуклоне. При радиусе кваркового цилиндра r его объём на единичной длине 1 ? ?r?, объём нуклона 4?rN?/3, где rN – радиус нуклона. Учитывая, что в нуклоне три валентных кварка, имеем ?* ? 3?r?/(4?rN?/3) = (9/4)(r?/rN?)

Радиус кваркового вихря

Радиус кваркового вихря оценим из N –соотношения по найденному ?* : r ? rN (9?*/2N) -1/3 При rN ? 1,5 ф для u- кварков (их в протоне вдвое больше чем d-кварков, заряд u-кварка 2е/3) ?* ? (2/3)? ? (1/137). При N = 1 имеем r ? rN (2/137) -1/3 ? 6 ферми.

Устойчивость оценок параметров вихря

При N = 8, 27, 64 и 125 радиусы кварковых вихрей соответственно будут 3, 2, 1,5 и 1,2 ферми – то есть порядок радиуса - единицы ферми – сохраняется при изменении магнитного потока на 1-2 порядка. Полученная оценка устойчива к небольшим изменениям модели, если даже от величины ?*/N зависит слабо - как корень кубический. По найденному r из N-соотношения найдём также ?* ? N/2?*r ? N ?5?1014 см-1

Энергия и масса единицы длины кваркового вихря

Проекция момента импульса Р· r = Lсh, откуда при N = 1 Р ? Lсh/r ? 30?L МэВ. Так как кварк релятивистский, Р ? Е ? Т. Зная ?* и Е, найдём массу единицы длины кваркового вихря (без учёта энергии его электрического и магнитного полей) µ* ? Е ? ?* /с? ? 1,5?1016LN МэВ/с? ? 2,7?10-11 NL г/см = 2,7 NL нг/м

Электромагнитная масса

При LN = 1 магнитная индукция в центре кваркового вихря В = Н = Фо/?r? ? 2,6?1017 Гс. По напряженности магнитного поля найдём плотность магнитной энергии ?* ? Н?/8?, энергию на единице длины вихря ?* ? ?*??r? ? 270 Дж/см и массу единицы длины магнитного поля µ** ? ?/с? ? 0,3 нг/м. Отметим, что энергия электрического поля (см. ниже) на единице длины кваркового вихря оказывается примерно в 20 раз меньше магнитной энергии. Таким образом, масса единицы длины кваркового вихря около 3 нанограмм на метре.

Заряд единицы длины флюкса

Число избыточных зарядов ?** может не совпадать с ?*, поскольку кварковый вихрь может включать в себя как положительные, так и отрицательные кварки, вращающиеся в разные стороны (?** меньше ?* примерно в 20 раз, см. ниже). Напряженность электрического поля на поверхности флюкса, как и у всякого заряженного цилиндра, Е* = 2?**е*/r. Е* не может существенно превышать напряженность электрического поля около тяжелых сферических ядер – в более сильном поле образуются пары частиц и античастиц, нейтрализующие заряд кваркового вихря. При е* порядка е имеем Е* ? 1026 ед.СГСЕ и ?** ? 3?1013 см-1 ?**е* ? 0,5 Кл/км

Энергия электрона в оболочке флюкса

Если электроны оболочки вращаются в разные стороны и сами не создают магнитного поля, влияющего на их движение, равенство центробежной силы вращающегося электрона и силы его электростатического притяжения (?М??/r) = 2?е*е/r позволяет сразу вычислить лоренц-фактор электрона ? = Е/М ? 30 и его полную энергию Е = ?М ? 2?е*е ? 15 МэВ

Радиус электронной оболочки флюкса

Из условия квантования проекции момента импульса электрона на ось вихря: Р?r ? Lсh, где L = 1, 2, 3, … , для релятивистского электрона Р ? Е имеем r ? Lсh/Е. При минимальном ненулевом L = 1 r ? сh/Е = (сh/е?) ? (е?/?М) = (137/30) ? r*, где r* = 2,8 ф – классический радиус электрона. Отсюда r ? 13 ф . Итак, радиус электронной оболочки цилиндрического атома по порядку величины составляет около 10 ферми.