Кварк-глюонная плазма
Кварк-глюо́нная пла́зма, экстремальное состояние субъядерной материи, образующееся при сверхвысоких плотностях энергии и температурах. Фундаментальная проблема теории ядерных взаимодействий [[[Квантовая хромодинамика|квантовой хромодинамики]] (КХД)] – природа эффекта конфайнмента, или «удержания цвета» (цветовой заряд в КХД – аналог электрического заряда в электродинамике). Заключается данный эффект в том, что частицы, несущие цветовой заряд, кварки и глюоны (элементарные составляющие адронов – частиц, участвующих в ядерных взаимодействиях) не наблюдаются в свободном виде. В экспериментах по столкновениям частиц на ускорителях высокоэнергичные кварки и глюоны проявляются как узконаправленные сгустки адронов (струи), которые и регистрируются детекторами. Однако при определённых условиях, а именно при экстремально высоких плотностях энергии больше критического значения (порядка 1 ГэВ на кубический фемтометр), компьютерные расчёты КХД на пространственно-временной решётке предсказывают отсутствие конфайнмента ядерной материи и образование нового состояния вещества, состоящего из передвигающихся в пределах некоторого объёма свободных кварков и глюонов. По аналогии с электромагнитной плазмой, в которой имеет место эффект дебаевского экранирования электрического заряда, «деконфайнмированное» состояние сильновзаимодействующей материи называется кварк-глюонной плазмой (КГП), в которой имеет место экранирование заряда цветового. В случае когда критическая плотность энергии в сильновзаимодействующей системе достигается за счёт высокой температуры, предсказывается плавный кварк-адронный фазовый переход типа «кроссовер»; если же критическая плотность энергии достигается за счёт высокой барионной плотности, то ожидается кварк-адронный фазовый переход первого рода. Соответственно, для фазовой диаграммы «температура – барионная плотность» предсказывается существование критической точки, в которой меняется тип фазового перехода.
Согласно современным космологическим представлениям, КГП существовала в ранней Вселенной в первые микросекунды после Большого взрыва. При критической температуре порядка 2 трлн градусов (около 200 МэВ в энергетических единицах) Вселенная прошла стадию кварк-адронного фазового перехода и адронизации: кварки и глюоны «склеились» друг с другом, сформировав более сложные частицы – адроны, которые известны нам сегодня. Экстремальные условия, необходимые для формирования другого предельного сверхплотного состояния – «холодной» кварковой материи с высокой барионной плотностью, могут достигаться в недрах нейтронных звёзд. Не исключено также, что сами атомные ядра являются гетерофазными системами и в своём составе, помимо протонов и нейтронов, содержат «капельки» холодной КГП в местах сильного превышения флуктуаций ядерной плотности над её средним значением.
В лабораторных условиях поиск и изучение свойств КГП ведётся в экспериментах с пучками релятивистских тяжёлых ионов на ускорителях. Отличительная особенность ядро-ядерных соударений по сравнению с адрон-адронными столкновениями – возможность генерации субъядерной материи в квазимакроскопических объёмах по отношению к характерным адронным масштабам, что позволяет исследовать сильные взаимодействия в режимах экстремально высоких температур и плотностей энергии на значительно больших пространственно-временных масштабах и открывает принципиальный путь для применения термо- и гидродинамики ядерных взаимодействий. Ныне накоплен значительный экспериментальный материал по различным физическим наблюдаемым в соударениях тяжёлых ионов на ускорителе SPS в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) (эксперименты с фиксированной мишенью, максимальная энергия пучков свинца в системе центра масс √sNN = 17 ГэВ на пару нуклонов), коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории (максимальная энергия столкновений пучков золота √sNN = 200 ГэВ на пару нуклонов) и Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе (энергии столкновении пучков свинца √sNN = 2,76, 5,02 и 5,36 ТэВ на пару нуклонов). Первые указания на формирование КГП, такие как аномальное подавление выхода J/ψ-мезонов (связанных состояний -кварков), тепловое излучение фотонов и лептонных пар, усиленный выход «странных» адронов, были получены в экспериментах на SPS (соответствующий пресс-релиз ЦЕРН был опубликован в 2000). Совокупность данных, полученных в дальнейшем в экспериментах на коллайдерах RHIC и LHC (подавление выхода J/ψ-мезонов и высокоэнергичных адронов, сильная азимутальная анизотропия потока частиц, дальнодействующие азимутальные корреляции и др.) согласуется с предположением о формировании горячей сильновзаимодействующей материи с гидродинамическими свойствами («кварк-глюонная жидкость»), которая поглощает высокоэнергичные кварки и глюоны. При этом на БАКе стало возможным изучать более редкие процессы и открыть новые эффекты, включая модификацию различных характеристик адронных струй и продуктов адронизации тяжёлых кварков, а также подавление выхода возбуждённых состояний Υ-мезонов (связанных состояний -кварков) относительно их основного состояния. Планируются дальнейшие экспериментальные исследования различных процессов рождения частиц в соударениях тяжёлых ионов на LHC, включая как углублённый анализ уже известных эффектов, так и измерение новых физических наблюдаемых, которые могут стать доступными при дальнейшем увеличении светимости и энергии коллайдера. Перспективным направлением представляется и изучение «малых» систем, образующихся в протон-протонных и протон-ядерных соударениях с большой множественностью, для которых также имеются указания на проявление коллективных эффектов. Пока нет однозначного понимания, лежат ли в основе таких проявлений коллективности одни и те же механизмы для соударений тяжёлых ионов и для малых систем или имеется разное происхождение «коллективности» для различных систем.
Помимо изучения свойств кварк-глюонной материи в условиях экстремально высоких температур, при максимально достижимых ныне в лабораторных условиях энергиях LHC, значительный интерес представляет экспериментальное изучение динамики кварк-адронных фазовых переходов вблизи их границы при промежуточных энергиях пучков тяжёлых ионов (от нескольких ГэВ до нескольких десятков ГэВ). Данная задача обусловлена, в частности, поиском «критической точки» кварк-адронного фазового перехода, что стимулировало как программу изучения соударений тяжёлых ионов в широком диапазоне энергий для существующих ускорителей SPS и RHIC, так и новые проекты NICA в ОИЯИ (Дубна) и FAIR в GSI (Дармштадт, Германия). Эти две взаимодополняющие задачи – одни из актуальнейших в современной ядерной физике высоких энергий.
Литература
- Шуряк Э. В. Кварк-глюонная плазма // Успехи физических наук. – 1982. – Т. 138, № 2. – С. 327–328.
- Лохтин И. П. Диагностика сверхплотной материи в ультрарелятивистских столкновениях ядер / И. П. Лохтин, Л. И. Сарычева, А. М. Снигирев // Физика элементарных частиц и атомного ядра. – 1999. – Т. 30, № 3. – C. 660–719.
- Емельянов В. М. Введение в релятивистскую ядерную физику / В. М. Емельянов, С. Л. Тимошенко, М. Н. Стриханов. – Москва : Физматлит, 2004.
- Quark–gluon plasma and color glass condensate at RHIC? The perspective from the BRAHMS experiment / I. Arsene, I. G. Bearden, D. Beavis [et al.] // Nuclear physics A. – 2005. –Vol. 757, № 1/2. – P. 1–27.
- The PHOBOS perspective on discoveries at RHIC / B. B. Back, M. D. Baker, M. Ballintijn [et al.] // Nuclear Physics A. – 2005. – Vol. 757, № 1/2. – P. 28–101.
- Experimental and theoretical challenges in the search for the quark gluon plasma: the STAR collaboration's critical assessment of the evidence from RHIC collisions / M. M. Aggarwal, Z. Ahammed, B. D. Anderson [et al.] // Nuclear Physics A. – 2005. – Vol. 757, № 1/2. – P. 102–183.
- Formation of dense partonic matter in relativistic nucleus-nucleus collisions at RHIC: experimental evaluation by the PHENIX collaboration / S. Afanasiev, R. Amirikas, L. Aphecetche [et al.] // Nuclear Physics. A. – 2005. – Vol. 757, № 1/2. – P. 184–283.
- Дремин И. М. Кварк-глюонная среда / И. М. Дремин, А. В. Леонидов // Успехи физических наук. – 2010. – Т. 180, № 11. – С. 1167–1196.
- Quark-Gluon Plasma 4 / ed. R. C. Hwa, Xin-Nian Wang. – Singapore : World Scientific, 2010.
- Topical issue on exploring strongly interacting matter at high densities – NICA White Paper / D. Blaschke, J. Aichelin, E. Bratkovskaya [et al.] // The European Physical Journal. A. – 2016. – Vol. 52, № 8. – Article 267.