Кварк глюонная плазма. Кубиты, стерильные нейтрино и кварк-глюонная плазма. Какова тематика вашей научной работы

Физики из PHENIX Collaboration создали капли жидкого состояния вещества, называемого кварк-глюонной плазмой, которые образуют три фигуры различной формы и размера — круги, эллипсы и треугольники.

Ученые считают, что кварк-глюонная плазма заполнила всю Вселенную в течение первых нескольких микросекунд после Большого взрыва, когда была еще слишком горячей, чтобы частицы могли объединиться и образовать атомы.

Команда исследователей PHENIX использовала релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории, чтобы воссоздать этот процесс. В серии испытаний физики сталкивали частицы в различных комбинациях (одиночные протоны, двухчастичные дейтроны и трехчастичные ядра гелия-3) с гораздо более крупными ядрами золота.

«RHIC — единственный ускоритель в мире, где мы можем провести такой строго контролируемый эксперимент, сталкивая частицы, состоящие из одного, двух и трех компонентов, с одним и тем же тяжелым ядром, золотом, и с одной и той же энергией», — сказал профессор команды PHENIX Джейми Нэгл, исследователь из Университета Колорадо.

Ученые обнаружили, что, тщательно контролируя условия, они могут генерировать капли кварк-глюонной плазмы, которые расширяются, образуя три различных геометрических паттерна.

«Представьте, что у вас есть две капли, которые растут в вакууме», — сказал профессор Нэгл. «Если две капли действительно близко друг к другу, то, когда они расширяются, они сталкиваются друг с другом и соединяются друг с другом, и именно это создает паттерн».

Если столкновения между протонами (p), дейтронами (d) и ядрами гелия-3 (3He) — и ядрами золота (Au) создают крошечные горячие точки в кварк-глюонной плазме, то картина частиц, обнаруженных детектором должен сохранять некоторую «память» о начальной форме каждого «снаряда». Измерения из эксперимента PHENIX соответствуют этим прогнозам с очень сильными корреляциями между исходной геометрией и окончательными моделями.
© Javier Orjuela Koop, University of Colorado, Boulder

«Другими словами, если вы бросите два камня в пруд близко друг к другу, рябь от этих ударов будет перетекать друг в друга, образуя рисунок, напоминающий эллипс». «То же самое может быть правдой, если вы разбили протон-нейтронную пару, называемую дейтроном, в нечто большее». «Аналогично, протон-протон-нейтронное трио, также известное как атом гелия-3, может расшириться во что-то похожее на треугольник».

И это именно то, что обнаружили исследователи PHENIX: столкновения дейтронов образовали кратковременные эллипсы, атомы гелия-3 образовали треугольники, а одиночный протон взорвался в форме круга.

C. Aidala et al (PHENIX Collaboration). Creation of quark–gluon plasma droplets with three distinct geometries. Nature Physics, published online December 10, 2018;

Steve Jurvetson / flickr.com

Физики-теоретики из Университета штата Айова показали, что магнитное поле, которое создают потоки заряженных частиц внутри кварк-глюонной плазмы, не превышает десяти процентов от поля внешних электронов. Это значит, что эволюцию магнитного поля и кварк-глюонной плазмы можно «развязать», то есть рассматривать их по отдельности. Статья опубликована в Physical Review C , препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

В обычных условиях материя состоит из стабильных нейтральных «кирпичиков» - атомов, в которых положительный электрический заряд ядра скомпенсирован отрицательным зарядом окружающих его электронов. С другой стороны, если нагреть вещество до достаточно большой температуры, электроны оторвутся от ядер (частично или полностью), и «кирпичики», из которых сложена материя, нейтральными быть перестанут. При этом в целом вещество останется квазинейтральным, то есть совсем далеко заряженные частицы разбегаться не будут - характерную длину «разбегания» частиц можно сравнить с радиусом Дебая . Такое состояние вещества называют плазмой . Электрическая плазма возникает в звездах, внутри которых температура может достигать нескольких миллионов градусов, в ионосферах планет и во время вспышек молнии.

В то же время, если заглянуть еще на уровень глубже, окажется, что протоны и нейтроны, из которых складывается привычная для нас материя, а также другие адроны не являются по-настоящему элементарными частицами, но состоят из кварков . В обычных условиях кварки могут существовать только в составе адронов из-за конфайнмента - аналогично тому, как электроны, протоны и нуклоны связываются в атомы. Кроме того, каждый кварк обладает собственным цветным зарядом , который является аналогом электрического заряда для сильного взаимодействия, но в сумме заряды кварков всегда друг друга компенсируют, подобно электрическим зарядам в атомах. Например, барионы обязательно содержат по одному синему, красному и зеленому кварку, а мезоны - по кварку и антикварку. По аналогии с атомами можно сказать, что «кирпичики», из которых состоит материя, в целом бесцветны, то есть имеют нулевой цветной заряд.

Более того, оказывается, что эту аналогию можно продолжить и дальше. В середине 1980-х годов физики-теоретики показали , что при достаточно большом давлении и температуре адроны «растворяются» друг в друге, а входящие в их состав кварки свободно гуляют по всему объему вещества - возникает так называемая кварк-глюонная плазма (КГП). Температура такого фазового перехода значительно превышает температуру перехода в состояние обычной плазмы и достигает двух триллионов градусов (в более привычных для физиков единицах это отвечает энергии около 150 мегаэлектронвольт). Предполагается , что вещество Вселенной находилось в состоянии кварк-глюонной плазмы в первые десять пикосекунд после Большого взрыва, что может объяснить наблюдаемую асимметрию между материей и антиматерией. Получается, что для понимания происходящих тогда процессов важно хорошо изучить свойства КГП.

В настоящее время физики умеют получать кварк-глюонную плазму, разгоняя до огромных энергий и сталкивая на коллайдерах ионы тяжелых элементов. Правда, в таких столкновениях плазма возникает всего на несколько десятков йоктосекунд (10 −24 секунды). Тем не менее, этого достаточно, чтобы кварки перегруппировались и образовали характерные продукты реакций, по которым физики распознают и изучают свойства КГП. К сожалению, в таких столкновениях также рождаются очень сильные электромагнитные поля, которые могут влиять на свойства кварк-глюонной плазмы. В ноябре прошлого года группа физиков-теоретиков из Индии, Японии и Германии показала , что влиянием фонового электромагнитного поля на динамику плазмы можно пренебречь. Однако, чтобы окончательно «развязать» магнитное поле и КГП, нужно убедиться, что плазма не производит сильных магнитных полей сама по себе.

В новой статье физики-теоретики Эван Стюарт (Evan Stewart) и Кирилл Тучин (Kirill Tuchin) показали, что это действительно так, и магнитным полем, которое генерирует кварк-глюонная плазма сама по себе, можно пренебречь по сравнению с внешним полем, создаваемым оставшимися от ионов и продолжившими движение электронами. Для этого ученые выписали и аналитически решили уравнения Максвелла, то есть нашли запаздывающую функцию Грина системы ионов. Грубо говоря, эта функция связывает воздействие, которое прикладывается к системе, и ее отклик на воздействие. Оказалось, что в данном случае функцию Грина можно разбить на два независимых члена, один из которых отвечает «импульсу», генерируемому электронами (pulse), а другой - постепенно усиливающемуся полю, создаваемому электрическими токами внутри плазмы (wake).

Геометрия системы, для которой физики рассчитывали магнитное поле: вид сбоку. Кварк-глюонная плазма - это овал в центре рисунка

Геометрия системы, для которой физики рассчитывали магнитное поле: вид сверху. Кварк-глюонная плазма - это овал в центре рисунка

E. Stewart & K. Tuchin / Phys. Rev. C

Затем физики рассчитали с помощью найденных функций Грина векторный потенциал и магнитное поле в статичной плазме, объем которой не меняется со временем. Оказалось, что оба этих поля со временем затухают, причем поле токов внутри плазмы спадает медленнее. Тем не менее, вплоть до периодов времени порядка трехсот йоктосекунд, это поле значительно меньше поля «импульса», а при бо́льших периодах кварк-глюонная плазма перестает существовать. Это значит, что на практике электрическими токами внутри статичной плазмы можно пренебречь.

Наконец, ученые сравнили магнитное поле «импульса» и токов в расширяющейся со временем плазме, предполагая, что выражения, в которые входит скорость расширения, сравнительно малы, и их можно рассматривать в качестве возмущений к случаю статичной плазмы. Оказалось, что даже в этом случае вклад в магнитное поле электрических токов внутри плазмы не превышает десяти процентов в ходе всего рассматриваемого промежутка времени, в течение которого корректно говорить о существовании кварк-глюонной плазмы. Таким образом, авторы статьи заключают, что КГП не производит сильных магнитных полей сама по себе - следовательно, эволюцию магнитного поля и кварк-глюонной плазмы можно «развязать», то есть рассматривать по отдельности.

Закручивающийся суп фундаментальных стандартных блоков материи вращается в десять миллиардов триллионов раз быстрее, чем самый мощный торнадо. Это является новым рекордом для вихревого движения.

Столкновения частиц, воссоздающих кварк-глюонную плазму, которая полностью заполняла собой раннюю вселенную, показывают, что капельки этого первородного супа закручиваются намного быстрее, чем какая-либо другая жидкость. Новый анализ данных от релятивистского коллайдера тяжёлых ионов RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), расположенного в Брукхейвенской национальной лаборатории штата Нью-Йорк, показал, что завихрения кварк-глюонной плазмы превосходят вихревую динамику движения жидкости в зарождающихся супер ячейках торнадо на Земле и даже в Большом Красном Пятне Юпитера во много порядков. Даже был побит рекорд вращения, удерживаемый до недавнего времени нано каплями сверхтекучего гелия.

Результаты этой работы были опубликованы в издании Nature. Сейчас исследователям становится ясно, что им удалось зафиксировать ещё один рекорд, который удалось поставить благодаря удивительным свойствам кварк-глюонной плазмы. Эта жидкость, которая составлена из фундаментальных стандартных блоков материи – кварков и глюонов – имеет температуру, которая в сотни тысяч раз больше, чем в самом центре Солнца, и сверхнизкую вязкость (или сопротивляемость течению). Ведущие физики мира описывают эти явления как “почти совершенными” свойствами. Изучая эти свойства и факторы, которые управляют ими, учёные надеются докопаться до самой мощной и наименее изученной силы в природе, той, которая ответственна за превращение кварков и глюонов в протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, формируют большую часть видимой материи во вселенной.

Контрольные признаки распада лямбда-гиперона на протон (p) и пион (π-). Поскольку протон выходит практически с тем же выравниванием, что и спин гиперона, отслеживая места, в которых протоны ударяют датчик, можно проследить спин самих гиперонов.

В частности, результаты измерения закрутки, или вихревого движения жидкости, должны помочь учёным определиться среди различных теоретических описаний плазмы. А с ещё большим количеством данных у них появится возможность измерить силу магнитного поля плазмы – очень важной переменной для исследования других интересных явлений физики.

“То, что мы знали до недавнего времени в охарактеризовании кварк-глюонной плазмы, говорило нам о том, что это горячая жидкость, которая расширяется взрывным методом и очень легко течёт. Но мы хотим понять эту жидкость на ещё более подробном уровне. Достаточно ли быстро она термализуется (или достигает равновесия), чтобы завихрения начали формироваться в самой жидкости? И если это так, как сама жидкость реагирует на эти экстремальные вихри?”, – Майкл Лайза, физик из Университета штата Огайо. Новый анализ, который провёл Майкл со своим аспирантом даёт коллаборации способ достигнуть этих ожидаемых результатов.

Выравнивание спинов

“Теория говорит о том, что, если у нас есть жидкость с вихревым движением, то есть с вращающейся подструктурой, то она имеет тенденцию к выравниванию спинов частиц, которые испускает, в том же направлении, что и закрутка”.

И в то время, как в кварк-глюонной жидкости может присутствовать много небольших “водоворотов”, направленных случайно, в среднем их вращение должно быть выровнено с тем фактором, который известен под названием углового момента системы (момента импульса) – вращения системы, сгенерированного сталкивающимися частицами, поскольку они пролетают мимо друг друга на скоростях, близких к скорости света.

Чтобы отследить вращающиеся частицы и их момент импульса, физики коррелируют измерения, проведённые одновременно по двум компонентам датчика. Первое измерение было проведено с применением двух датчиков, расположенных на переднем и заднем краях детектора STAR, который имеет размеры с дом. Эксперимент измерял еле заметные отклонения путей сталкивающихся частиц, когда она пролетали друг за другом. Размер и направление отклонения говорят физикам о величине момента импульса явления, и о том, в каком направлении это событие происходило. Сам детектор STAR находится в специальной камере Time Project Chamber, в которой одновременно с первым проходил сразу и второй эксперимент. Эта камера заполнена газом, который окружает зону столкновения частиц, здесь удаётся отследить треки сотен или даже тысяч других частиц, которые выходят перпендикулярно центру столкновения.

“Мы, в частности, ищем признаки присутствия лямбда-гиперонов – вращающихся частиц, которые распадаются на протон и пион, которые мы и наблюдаем в камере Time Project Chamber. Поскольку протон вылетает практически точно выравниваясь к направлению вращения гиперона, проследив то, где они ударяют камеру, можно в обратном порядке проследить, как направлен спин гиперона”, – Эрнст Зихтерманн, старший научный сотрудник детектора STAR и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли.

“Мы ищем некоторое систематическое предпочтения для направления этих дочерних протонов, особым образом сориентированных относительно момента импульса, который мы как раз измеряем в переднем и заднем датчиках STAR. Величина этого предпочитаемого момента говорит нам о степени вихревого движения, то есть среднего уровня закрутки, кварк-глюонной плазмы”.

Супер спин

Результаты показывают, что столкновения в детекторе RHIC создают жидкость с самых мощным вихревым движением из всех когда-либо зарегистрированных. Вращение этой жидкости намного быстрее, чем у ускоряющегося торнадо, и быстрее, чем у любой лабораторной жидкости. Таким образом, учёные приходят к заключению, что перед ними наиболее идеальная жидкость из всех возможных, поскольку обладает очень маленькой вязкостью и большим вихревым движением. Эти данные также пригодятся для оценки того, что различные теории предсказывают относительно вихревого движения кварк-глюонной плазмы.

“Разные теории говорят о разной степени вихревого движения, в зависимости от того, какие параметры они включают. Таким образом, наши результаты помогут отсортировать все эти теории и определить, какие факторы являются самыми релевантными. Есть одна общая черта у этих теорий: все они недооценивают вихревое движение. Наши измерения показывают, что оно происходит намного активнее, быстрее даже, чем предполагалось ранее”.

Это открытие было сделано во время работы по одной из программ, реализуемых на детекторе DHIC. Он был выбран благодаря возможности систематически варьировать энергии столкновений в таких диапазонах, в которых можно наблюдать другие особенно важные явления. Фактически, теории предполагают, что RHIC может обладать оптимальным диапазоном для открытия и последующего исследования выравнивания вихревого движения, так как этот эффект уменьшается в более высоких энергиях.

Увеличение числа лямбда-гиперонов, которое должно быть выявлено в будущих столкновениях в RHIC, улучшит способность учёных использовать эти измерения, чтобы вычислить силу магнитного поля, сгенерированного в столкновениях. Сила магнетизма влияет на движение заряженных частиц, поскольку они создаются и появляются из столкновений RHIC, поэтому измерение его силы важно, чтобы полностью охарактеризовать кварк-глюонную жидкость, включая то, как она разделяет частицы, имеющие разный заряд.

“Теория предсказывает, что магнитное поле, создаваемой в экспериментах с тяжёлыми ионами, намного выше, чем какое-либо другое во всей вселенной”.

По информации Брукхейвенской национальной лаборатории.

Рис 1. Пример визуализации события при столкновении пучков ионов свинца на эксперименте ATLAS

Изучение Кварк-Глюонной плазмы

Одно из направлений группы МИФИ в ATLAS эксперименте является поиск сигналов нового состояния вещества, называемого кварк-глюонной Плазмой (КГП). При больших плотностях энергии, мельчайшие элементарные составляющие материю частицы - кварки и глюоны (жёстко связанные между собой законами Квантовой Хромодинамики) - обретают асимптотическую свободу. Этот фазовый переход материя способна осуществить при температуре 2.500 гигакельвин, что в 100000 раз горячее, чем в ядре Солнца.

При столкновениях ядер свинца на Большом Андонном Колладере плотность энергии возникающей при этом ядерной материи в 30 раз превышает то, что было достигнуто ранее, что вполне может быть достаточно для рождения кварк-глюонной плазмы, то есть состояния в котором кварки и глюоны находятся в состоянии деконфайнмента. Исследование такого состояния вещества позволяет провести тщательнейшую проверку законов Квантовой Хромодинамики (КХД).

Группа МИФИ в настоящее время проводит исследования по следующим направлениям:

• Изучение множественности рождения заряженных частиц в p+Pb столкновениях;
• Изучение рТ спектров заряженных частиц в p+Pb столкновениях;
• Масштабирование рождения Z бозонов в Pb-Pb столкновениях;

Исследования выполняются при тесном сотрудничестве с Columbia University (US), Brookhaven National Laboratory (US), CERN (EU), Weizmann Institute of Science (Israel).

Наиболее важные результаты исследований показаны на рисунках ниже.

Результаты восстановления Z бозонов для ee и μμ мод распада (левый рисунок) подтверждают отсутствие подавления их рождения сверхгорячей ядерной средой.

Исследования множественности заряженных частиц (центральный рисунок) позволяют существенно уменьшить неопределённости в теоретических моделях описывающих протон-йонные столкновения.

Исследование распределения заряженных частиц по поперечному импульсу (правый рисунок) позволяет исследовать глюонные распределения, а так же нелинейные эффекты насыщения, которые могут наблюдаться в волновых функциях нуклона (Pb) и протона.

Рис 2. Распределения инвариантной массы of Z -> ee (слева) и Z -> μμ (справа) в данных и MС.

Рис 3. Распределения по псевдобыстроте измеренной плотности заряженных частиц dN ch /dη для нескольких интервалов центральности p+Pb столкновений при энергии в системе центра масс √(S NN) =5.02 ТэВ

Рис 4. Инвариантные дифференциальные спектры заряженных частиц в р+Pb столкновениях при энергии в системе центра масс √(S NN) =5.02 ТэВ

Статьи и доклады на конференциях:

1. ATLAS Collaboration; «Measurement of Z Boson Production in Pb-Pb Collisions at √(S NN)=2.76 TeV with the ATLAS Detector»; Phys. Rev. Lett 110, 022301 (2013)
2. ATLAS Collaboration; «Measurement of the centrality dependence of the charged particle pseudorapidity distribution in proton-lead collisions at √(S NN) = 5.02 TeV with the ATLAS detector»; ATLAS-CONF-2013-096
3. ATLAS Collaboration; «Transverse momentum, rapidity, and centrality dependence of Charged Particle Production in p+Pb √(S NN)=5.02 TeV collisions measured by ATLAS experiment at the LHC»; ATLAS-CONF-2013-107
4. Shulga, E; «Centrality dependence of charged particle production in proton-lead collisions measured by ATLAS»; Int. Conference on the Initial Stages of High-Energy Nuclear Collisions. 8-14 September 2013

Контакты:

Шульга Евгений Александрович

[email protected]

Кварк-глюонная плазма — компьютерная модель

Кварк-глюонная плазма – состояние вещества, при котором последнее представляет собой набор глюонов, кварков и антикварков. Образование такой плазмы протекает аналогично образованию обычной плазмы.

Атомы обычного вещества в большинстве своем нейтральны, так как заряд их ядра компенсируется электроном, вращающимся вокруг ядра. С повышением температуры атомы ионизируются, то есть электрон получает достаточно энергии, чтобы покинуть свою орбиту, в результате чего имеется отдельно положительно заряженное ядро и отрицательно заряженный электрон. Такое состояние вещества и называется плазмой.

В случае с кварк-глюонной плазмой – компенсируется так называемый «цвет». Цвет – одна из характеристик кварков которые составляют частицу – адрон, и глюонов – которые «склеивают» кварки (являются переносчиками сильного взаимодействия).

Конфайнмент

Кварки и глюоны, составляющие адроны, в обычных условиях не способны находиться в свободном состоянии. Так, если попытаться «растащить» их на расстояние, большее, чем размер адрона (10 -13 см), энергия кварков и глюонов быстро и неограниченно возрастает. Явление невозможности разделить кварки называется «конфайнмент», что с английского переводится как «тюремное заключение». Описывается данное явление с использованием уже упоминаемой ранее характеристики – цвета. Таким образом в свободном состоянии могут существовать лишь составные из кварков объекты, которые имеют белый цвет. Например, протон состоит из кварков, цвета которых: зеленый, синий и красный, что в сумме дает белый.

Однако, существуют условия, при которых конфайнмент работает иначе. К таким условиям относится сверхнизкая температура или сверхвысокое давление. В случае таких условий волновые функции двух нуклонов (общее название протонов и нейтронов, составляющих ядро атома) перекрываются, говоря простым языком – эти частицы как бы «налезают друг на друга». Вследствие этого кварки перестают различать свои родные нуклоны и начинают свободно перемещаться по всему объему ядра, состоящего из этих нуклонов. Таким образом конфайнмент имеет место, однако объем его «тюремной клетки» в разы увеличивается. Следовательно, чем больше нуклонов соприкасаются и «накладываются», тем больше размер «клетки». Подобное явление может достигать макроскопических масштабов и более.

Существование и получение

Кварк-глюонная плазма возникает в результате «наложения» множества нуклонов друг на друга, вследствие чего кварки свободно перемещаются внутри объема ядра, состоящего из этих нуклонов. Подобная плазма существует в первую очередь в условиях повышенного давления, как например в ядрах нейтронных звезд. Однако, в 2005-м году американским ученым удалось получить кварк-глюонную плазму на коллайдере тяжелых ионов RHIC. На данном ускорителе удалось столкнуть ядра на скорости 99.99% скорости света, в результате столкновения выделилось 20000 ГэВ энергии, было достигнуто давление 10 25 –10 30 атмосферных давлений и температура 10 9 –10 10 К. Позже подобный эксперимент повторили на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНЕ при больших энергиях.