Сверхплотная ядерная материя - форма ядерной материи, существующей с гораздо большей плотностью, чем обычная ядерная материя. В 1971 году А.Б. Мигдал разработал теорию, в которой взаимодействие нуклонов сильно зависит от плотности ядерной материи. При критических плотностях ядерной материи оказываются возможными фазовые переходы, приводящие к созданию нового сверхплотного ядерного вещества – так называемые сверхплотные ядра или изомеры по плотности.

На рис. 1 приведены возможные зависимости удельной энергии связи, взятой со знаком минус, от плотности ядерной материи n/n₀. За единицу плотности ядерной материи принята “нормальная” ядерная плотность n₀. На данный момент экспериментаторы полностью уверены в двух точках на этой зависимости. Первая точка – при отсутствии ядерной материи (n/n₀ = 0) – удельная энергия связи также равна нулю. Вторая точка – состояние обычного стабильного ядра (n/n₀ = 1) – удельная энергия связи близка к 6– 8 МэВ. Плавно соединяем кривой эти точки, учитывая, что в точке n/n₀ = 1 существует минимум: как для небольшого уменьшения плотности ядерной материи, так и для небольшого увеличения ее плотности требуется внести в ядерное вещество дополнительную энергию. При n/n₀ > 1 теоретически возможны несколько вариантов поведения этой зависимости.

Наиболее тривиальный вариант (кривая I) – монотонная зависимость: чем больше плотность ядерной материи, тем меньше удельная энергия связи. Напомним, что на рисунке по оси ординат мы откладываем удельную энергию связи, взятую со знаком минус. После того как кривая I пересечет ось абсцисс, то есть уровень нулевой энергии связи, ядерное вещество становится нестабильным и способно рассыпаться на отдельные нуклоны.

Кривая II предполагает квазистационарное сверхплотное состояние (минимум на кривой), метастабильное относительно перехода в нормальное состояние. Время жизни ядерной материи в этом состоянии точно оценить весьма сложно, однако если это время жизни достаточно велико, то, накопив достаточное количество материи в минимуме на кривой II, можно (так же, как и в лазере) спровоцировать ее мгновенный переход в нормальное состояние с выделением значительного количества энергии.

Наиболее интересный случай – кривая III. Теория предсказывает существование отдельного мира стабильных сверхплотных ядер при n/n₀ = 7. Это связано с тем, что энергия связи пиона в ядерной среде растет при увеличении ее плотности. При достаточно большой плотности ядерного вещества энергия связи пионов может стать больше 140 МэВ – массы самого пиона, то есть энергетически выгодным становится самопроизвольное рождение пионов. Хотя проигрыш в энергии за счет рождения пиона составляет 140 МэВ, он перебивается еще большей энергией связи пиона в ядерном веществе. В этом случае структура ядерной материи коренным образом перестраивается и приобретает определенную слоистую структуру – так называемый пионный конденсат. Существенно, что удельная энергия связи нуклонов в преобразовавшемся ядерном веществе в несколько раз (или десятков раз, расчеты при других параметрах теории) превышает обычную энергию связи (см. положение минимума на кривой III). Это означает, что нормальные ядра оказываются метастабильны относительно перехода в более плотное состояние и, если создать условия для этого перехода, возможно получение энергии, в десятки раз превышающей энергию, выделяющуюся при термоядерном синтезе или на энергетичес¬ких реакторах.

Известные эксперименты не обнаружили стабильного сверхплотного ядерного вещества, а теория не претендует на достоверное описание зависимости удельной энергии связи от плотности ядерной материи. Однако такое состояние не исключает сверхплотных состояний ядерной материи.

Экспериментальное и теоретическое изучение столкновений тяжелых ионов высоких энергий позволит получить ценную информацию об уравнении состояния адронного вещества при больших плотностях и тем самым приблизиться к решению проблемы возможного существования сверхплотных ядер. Наконец, можно надеяться обнаружить сверхплотные ядра в космических лучах. В связи с этим интересно отметить, что необычный трек, который приписывался магнитному монополю, может быть интерпретирован как след нейтронного ядра. Возможность наблюдения в космических лучах стабильных сверхплотных ядер или их β-активных осколков с аномальным Z/A, образующихся при взаимодействии с ядрами атмосферы, должна учитываться при постановке и анализе экспериментов. Представляют интерес также поиски сверхплотных ядер космического происхождения, накопившихся за космологические времена в поверхностных слоях лунного грунта и в метеоритах.

Развитие современной ядерной физики вместе с физикой элементарных частиц дает наиболее фундаментальные знания о материальном мире и способно существенно изменить не только наши представления об основах микромира, но и саму жизнь.

 

В последние годы центр исследований ядерных реакций перемещается на изучение столкновений релятивистских ядер, то есть ядер с кинетической энергией более 1 ГэВ и выше на один нуклон, с неподвижными ядрами мишени или столкновений ядер на встречных пучках (пучков быстрых ядер, летящих навстречу друг другу), правда при меньших энергиях. Основная причина этого перемещения – поиск новых форм ядерной материи.
Кинетическая энергия более 1 ГэВ/нуклон, получаемая на современных ускорителях, соответствует движению ядер-снарядов со скоростью, составляющей 70–99% от скорости света. По теории относительности продольные размеры движущихся ядер сокращаются и соответственно увеличивается их плотность. Далее скорость звука в ядерном веществе (передача сгущений и разрежений в ядерной материи) близка к 20% от скорости света, то есть изучаемые ядро-ядерные столкновения происходят со сверхзвуковой скоростью. Как следствие ядро-снаряд полностью проникает в практически непотревоженное ядро-мишень и за счет совпадения объемов ядер плотность ядерного вещества увеличится как минимум в два раза. Сверхзвуковая скорость ядра-снаряда может стать причиной возникновения в ядре-мишени явления, аналогичного ударной волне в жидкости или газе, когда получаются огромные давления и плотность ядерного вещества может достигнуть величины n/n₀ = 4–6. Подобно тому как с помощью высоких температур и давлений удается получить такие модификации обычных веществ, как алмазы, реальным может оказаться, что с помощью столкновений ядер большой энергии будет получено новое (пока еще гипотетическое) состояние ядерного вещества – изомеры по плотности.
Для решения обсуждаемой проблемы и получения сверхплотного ядерного вещества с громадным выходом энергии важно убедиться, что при ядро-ядерных столкновениях действительно оказывается справедливым представление о ядерном веществе как о сплошной среде – сжимаемой ядерной жидкости (при больших плотностях внутри ядра нуклоны должны терять свою индивидуальность, обобществляться); тогда можно говорить о давлении, плотности и температуре этой ядерной жидкости. Не менее важно значение предельных критических температур и давлений для ядерного вещества – температур и давлений, при которых ядерное вещество претерпевает фазовые переходы и последовательно превращается из обычной ядерной материи в сверхплотную ядерную материю – пионный конденсат.