Что такое кварк глюонная плазма
Что такое кварк глюонная плазма
Введение 3
1. Современные установки по изучению свойств кварк-глюонной плазмы 4
2. Нуклоны, кварки и глюоны 5
3. Ультра-релятивистские столкновения тяжелых ядер. Образование кварк-глюонной плазмы 6
4. Плотность энергии ядерной материи 8
Заключение 10
Список использованных источников 10
Кварк-глюонная плазма — это такое состояние сильно взаимодействующей ядерной материи, в котором отдельные протоны и нейтроны словно растворяются, и составляющие их кварки начинают свободно двигаться по объему. Это состояние ядерного вещества может возникать при достаточно высоком давлении и температуре (примерно 2 трлн градусов). В таком состоянии находилась Вселенная спустя микросекунды после Большого взрыва, и примерно такое же состояние может до сих пор существовать в самом центре некоторых нейтронных звезд.
Экспериментальное изучение кварк-глюонной плазмы позволит не только «заглянуть» в раннюю Вселенную или вглубь нейтронных звезд, но и лучше понять, как вообще устроено сильное взаимодействие, в том числе и внутри обычных ядер.
В работе решаются задачи:
Ознакомиться с современными установками по изучению свойств кварк-глюонной плазмы (КГП)
Рассмотреть эксперименты по изучению свойств КГП.
Провести сравнительный расчет скоростей и плотностей энергии ядер, участвующих в ультра-релятивистских столкновениях на современных коллайдерах.
1. Современные установки по изучению свойств кварк-глюонной плазмы
Новое состояние материи – кварк-глюонная плазма – было открыто в 2005 году в экспериментах, где сталкиваются тяжелые ионы. Эксперименты проводились в Брукхейвенской национальной лаборатории в США на ускорителе тяжелых ионов (RHIC).
Детектор, на котором изучается кварк – глюонная плазма – ФЕНИКС. В нем для регистрации ядерных реакций имеются магниты и специальные устройства регистрации треков частиц.
В Европе кварк-глюонную плазму изучают на большом адроном коллайдере в Европейском ядерном центре ЦЕРН (CERN) на детекторе АЛИСА. Здесь на высоких скоростях сталкиваются ядра свинца. 25 ноября 2015 года коллайдер перешел к режиму столкновений ядер свинца при энергии столкновений 2,51 ТэВ в расчете на нуклонную пару.
2. Нуклоны, кварки и глюоны
Современная модель атомного ядра была предложена в 1932 году русским физиком Иваненко и Гейзенбергом, физиком из Германии. Ядро состоит из нуклонов. Нуклоны – это протоны и нейтроны. Протоны положительно заряжены, нейтроны электрически нейтральны.
По современным представлениям протоны и нейтроны состоят из кварков. Кварки не имеют внутренней структуры. Они не состоят из каких-либо других, более мелких частиц. Они – элементарные частицы.
Гипотезу кварков предложил в 1967 г. американский физик-теоретик М. Гелл-Ман. В 1969 году он стал лауреатом Нобелевской премии по физике. К настоящему времени открыто 6 кварков.
Протон состоит из двух u-кваков и одного d-кварка. А нейтрон состоит одного u-квака и двух d-кварков
Частицы, состоящие из кварков, называются адроны. Кварки взаимодействуют, обмениваясь промежуточными частицами, которые называются глюоны.
3. Ультра-релятивистские столкновения тяжелых ядер. Образование кварк-глюонной плазмы
На рисунке схематично показано столкновение ядер. Главная цель таких экспериментов — изучить свойства адронной материи при сверхбольших давлениях и температурах, и в особенности промежуточную фазу в таких столкновениях — кварк-глюонную плазму.
. Рис. 4. Образование кварк-глюонной плазмы в столкновении ядер
На первом рисунке два ядра движутся навстречу друг другу. Из-за высокой скорости, близкой к скорости света, ядра для наблюдателя принимают сплющенную форму. На втором рисунке – начало столкновения. Ядра рассыпаются на протоны и нейтроны. На третьем рисунке рассыпаются протоны и нейтроны на кварки (они изображены красными частицами) и глюоны. Этот момент и есть момент образования кварк-глюонной плазмы. Он длится короткое время. Затем кварки объединяются в частицы – адроны. Этот процесс называется адронизация. И образуются здесь не только протоны и нейтроны, но и другие частицы.
Такие эксперименты проводились в 80–90-е годы в ЦЕРНе, на ускорителе SPS, и на рубеже веков в них стали появляться первые намеки на новое состояния вещества. Затем первенство захватил американский коллайдер тяжелых ионов RHIC, на котором в начале 2000-х кварк-глюонная плазма была окончательно открыта. Более того, в 2005 году совершенно неожиданно оказалось, что КГП ведет себя как жидкость практически с нулевой вязкостью.
Опознать формирование кварк-глюонной плазмы можно разными способами. После распада плазмы на адроны, они должны проявиться в виде адронных эллиптических потоков и потоков более сложной формы.
Когда в начале 2000-х коллайдер тяжелых ионов RHIC сталкивал разные ядра, то работавшие на нем коллаборации PHENIX и STAR видели проявления кварк-глюонной плазмы в столкновении двух ядер золота (Au+Au), но не видели их в несимметричных столкновениях легчайшего ядра дейтерия с золотом (d+Au). В 2011–2012 годах детектор PHENIX был существенно модернизирован, в него были доустановлены новые компоненты, которые позволили ему лучше измерять свойства адронов. В 2013 году новые эксперименты по столкновению d+Au уже показали некоторые намеки на коллективные эффекты, которые напоминают следы кварк-глюонной плазмы.
Физики задумались: а может ли оказаться, что плавление ядра и образование кварк-глюонной плазмы происходит не во всем ядре, а только в маленькой «горячей зоне», в месте непосредственного удара протона по ядру? И вот совсем недавно PHENIX выполнил ключевой эксперимент. В ходе столкновений гелия-3 с ядрами золота на коллайдере RHIC в 2014 году распределение рожденных частиц по азимультальному углу и по поперечному импульсу было измерено с высокой точностью, что позволило надежно выделить компоненты КГП.
Полученное согласие является сильным указанием на то, что в тот момент, когда встречный нуклон вонзается в ядро, он плавит ядерную материю в месте попадания. На мгновение там образуется КГП.
4. Плотность энергии ядерной материи
В таблице приведены массовые числа А, заряд Z, кинетическая энергия Ebeam ядер в столкновениях на коллайдерах RHIC и LHC.
Энергию покоя ядер рассчитаем по приближенной формуле
Результаты расчета собраны в соответствующую колонку таблицы.
Полная энергия движущегося ядра в лабораторной системе отсчета
Кинетическая энергия ядра – это разность полной энергии и энергии покоя:
Из уравнения (1) выражаем γ:
Для всех ядер проведем расчет величины γ и результаты подставим в таблицу.
Теперь по величине γ рассчитаем отношение v/c:
Теперь рассчитаем, как изменяется плотность энергии ядер при их ускорении в коллайдере.
Обозначим R – радиус сферического ядра в лабораторной системе отсчета.
Обозначим плотность энергии неподвижного ядра через ρ0:
При движении ядра в коллайдере со скоростью, близкой к скорости света в вакууме, ядро в лабораторной системе отсчета приобретает форму диска. Диаметр диска равен диаметру сферического ядра. Толщину диска рассчитаем по формуле сокращения длины:
Плотность энергии движущегося ядра – дели полную энергию на объем диска:
Теперь находим отношение плотностей энергии:
В работе рассчитано отношение плотностей энергии для всех ядер в таблице.
В работе приведен краткий обзор современных экспериментов по изучению кварк-глюонной плазмы.
Проведен расчет изменения плотности энергии ядер в ультра-релятивистских столкновениях. Расчет показал, что образование кварк-глюонной плазмы происходит в условиях гигантского возрастания плотности энергии ядерной материи.
Armesto N., Scomparin E. Heavy-ion collisions at the Large Hadron Collider: a review of the results from Run 1..//arXiv:1511.02151v1 [nucl-ex] 6 Nov 2015
Поймать кварк-глюонную плазму
Схема ускорительного комплекса NICA — коллайдера протонов и тяжёлых ионов, строящегося на базе лаборатории физики высоких энергий им. В. И. Векслера и А. М. Балдина Объединённого института ядерных исследований в городе Дубна Московской области. Построенный ранее и обновлённый ускоритель «Нуклотрон» играет для NICA роль предускорителя. Рисунок: Nikita Sidorov / Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0
В городе Дубна Московской области на базе Объединённого института ядерных исследований продолжается строительство нового ускорительного комплекса NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility), основанного на нуклотроне ионного коллайдера. Сталкивая пучки тяжёлых ионов на скоростях, близких к скорости света, исследователи намерены получить горячую и экстремально плотную материю. Условия, создаваемые в ускорителе, будут напоминать первые доли секунд существования Вселенной. Сегодня вещество в похожем состоянии можно обнаружить лишь в ядрах нейтронных звёзд.
На Всероссийской конференции «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», недавно прошедшей в ИКИ РАН, Владимир Дмитриевич Кекелидзе, вице-директор ОИЯИ, отметил, что в области больших энергий уже выполнено много экспериментов, например, на Большом адронном коллайдере, но особенность мегапроекта NICA — достигнуть максимальной плотности вещества, так как данных о материи в таком состоянии пока недостаточно.
Изучение кварк-глюонной плазмы — одна из приоритетных задач мегапроекта NICA. Напомним, протоны и нейтроны (нуклоны) состоят из кварков — мельчайших по современным представлениям фундаментальных частиц. Кварки имеют массу и взаимодействуют между собой с помощью безмассовых короткоживущих глюонов. Получается своеобразный «бульон», где они удерживаются вместе и образуют кварковые системы — составные частицы, которые называют адронами. Протоны и нейтроны — типичные примеры таких кварковых систем.
Интересно, что в обычных условиях разделить кварки между собой не получится. Причиной этому служит явление конфайнмента, которое запрещает кваркам находиться в свободном состоянии. Но есть особое состояние вещества, при котором это правило нарушается, — кварк-глюонная плазма. При значительном увеличении плотности или температуры вещества адроны могут «расплавиться» и образовать непрерывную среду, внутри которой кварки вперемешку с глюонами ведут себя как свободные частицы.
Этого состояния можно достичь, если очень сильно сжать вещество. Тогда нуклоны в нём сблизятся настолько, что кварки перестанут различать «свой» и «чужой» нуклон и начнут свободно перемещаться в пределах всего объёма сжатого вещества. Произойдёт деконфайнмент — явление, обратное конфайнменту. Как этого достичь? Необходимо столкнуть тяжёлые ядра, состоящие из сотен протонов и нейтронов, ускоренных до очень высоких энергий.
Сначала два пучка ионов золота разгоняются до околосветовых скоростей. Когда нужная энергия достигнута, происходит «лобовое» столкновение — два встречных пучка налетают друг на друга. В момент столкновения материя разогревается и сжимается так, что ожидается образование кварк-глюонной плазмы. В дальнейшем она расширяется, охлаждается, происходит адронизация — процесс «слипания» кварков в адроны. Образуется адронный газ — смесь получившихся из кварков частиц, взаимодействующих между собой. Затем адроны перестают взаимодействовать и наступает так называемое кинетическое замерзание, при котором состав и энергии частиц уже не меняются. Помимо адронов, имеющих кварковый состав, в процессе столкновения образуются частицы другого типа — лептоны, которые из кварков не состоят и считаются неделимыми. В итоге детекторы ускорителя регистрируют образовавшиеся продукты столкновения, по которым делается вывод о происходивших процессах.
Для чего исследуются эти процессы? Очень важно получить информацию о фазовом переходе кварк-глюонная плазма — адронный газ. Всем хорошо знаком бытовой пример фазового перехода: кипение жидкости. Вода, закипая в чайнике, переходит из жидкого состояния в газообразное — это и есть фазовый переход. Замерзание льда, плавление металла, конденсация капель на окнах — всё это примеры того же явления. Аналогичные процессы происходят и с кварк-глюонной плазмой, когда она превращается в адронный газ (или наоборот).
У фазовых переходов есть важная характеристика — критическая точка. Это такое соотношение температуры и давления, при котором две фазы находятся в равновесии. Например, вода находится в равновесном состоянии жидкость — пар при температуре 374°C и давлении в 218 раз больше атмосферного. А вот для равновесия кварк-глюонной плазмы с адронным газом такая точка ещё не найдена. Теоретические расчёты подсказывают, что она лежит в области плотностей и температур, в пределах которых будет работать NICA.
Изучение кварк-глюонной плазмы поможет пониманию эволюции нашей Вселенной на ранних этапах. Предполагается, что в первые микросекунды после Большого взрыва вещество было настолько горячим, что огромная энергия не позволяла образоваться составным частицам вроде протона. Поэтому какое-то время Вселенная была заполнена кварк-глюонной плазмой. Если удастся получить более точное представление об этом состоянии, то самые ранние процессы во Вселенной станут понятнее, а значит, удастся «подобраться» ещё ближе к описанию момента Большого взрыва.
Скорее всего, во Вселенной и сейчас есть «лаборатории» по созданию кварк-глюонной плазмы. Жизненный цикл некоторых звёзд предполагает резкое увеличение яркости и выделение большого количества энергии — вспышку сверхновой. В результате образуются маленькие (по космическим меркам!), но невероятно плотные звёзды, которые называются нейтронными. Их массы сопоставимы с солнечной, а радиус составляет около 10–20 км. Считается, что внутри нейтронных звёзд существует ядро из кварк-глюонной плазмы. Изучение условий её возникновения может помочь в описании механизмов образования таких объектов.
Помимо основной задачи проекта — достижения максимальной плотности вещества — есть и другие. К примеру, большой интерес представляет исследование спиновой структуры, которая считается важной квантовой характеристикой частиц. Также на комплексе NICA планируются исследования по материаловедению, медицине, электронике, сверхпроводящей технике и другим дисциплинам.
Новый ускорительный комплекс рассчитывают ввести в эксплуатацию в 2020 году.
Кварк-глюонная плазма
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
Комбинация цветных зарядов
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.
Эксперимент ALICE ЦЕРНа участвует в исследовании кварк-глюонной плазмы
Также, согласно предположениям некоторых космологов, вещество Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва (около 10-11 с) находилось в состоянии кварк-глюонной плазмы, в результате чего после взрыва возникла барионная асимметрия Вселенной.
Крошечные капли кварк-глюонной плазмы образуются и в несимметричных ядерных столкновениях
Рис. 1. Теоретическое моделирование того, как должно происходить расширение треугольной зоны кварк-глюонной плазмы после столкновения гелия-3 с тяжелым ядром. Рисунок из статьи J. L. Nagle et al., 2014. Exploiting Intrinsic Triangular Geometry in Relativistic 3 He+Au Collisions to Disentangle Medium Properties
До сих пор кварк-глюонная плазма встречалась физикам только в столкновениях двух тяжелых ядер высокой энергии. Считалось, что в несимметричных столкновениях, когда очень легкое ядро ударяет по тяжелому, нужных для кварк-глюонной плазмы условий достичь не удается. Однако коллаборация PHENIX, изучив столкновения ядер гелия-3 и золота, утверждает, что плазма образуется и тут, но только в маленьких, субъядерных объемах. Эти результаты подтверждают недавние догадки теоретиков о том, как этот процесс может происходить. Статья коллаборации опубликована в журнале Physical Review Letters, а ее предварительная версия доступна в архиве электронных препринтов arxiv.org.
Кварк-глюонная плазма — это такое состояние сильно взаимодействующей ядерной материи, в которой отдельные протоны и нейтроны словно растворяются друг в друге, и составляющие их кварки начинают свободно гулять по объему. Это состояние ядерного вещества может возникать при достаточно высоком давлении и температуре (примерно 2 трлн градусов, что в энергетических единицах отвечает энергии 200 МэВ). В таком состоянии находилась Вселенная спустя микросекунды после Большого взрыва, и примерно такое же состояние может до сих пор существовать в самом центре некоторых нейтронных звезд. Кроме того, теория сильно взаимодействующей материи предсказывает, что кварк-глюонная плазма должна вести себя как жидкость, а не газ. Ее положение на диаграмме «давление-температура» и детальное описание ее свойств — это своеобразный вызов современной теории сильных взаимодействий. Поэтому экспериментальное ее изучение позволит не только «заглянуть» в раннюю Вселенную или вглубь нейтронных звезд, но и лучше понять, как вообще устроено сильное взаимодействие, в том числе и внутри обычных ядер.
Именно с этой целью на специализированных ускорителях сталкиваются тяжелые ядра с большой энергией. Такие эксперименты проводились в 80–90-е годы в ЦЕРНе, на ускорителе SPS, и на рубеже веков в них стали появляться первые намеки на новое состояния вещества. Затем первенство захватил американский коллайдер тяжелых ионов RHIC, на котором в начале 2000-х кварк-глюонная плазма была окончательно открыта. Более того, в 2005 году совершенно неожиданно оказалось, что кварк-глюонная плазма ведет себя не просто как жидкость, а как жидкость идеальная, то есть практически с нулевой вязкостью — и это сразу подкинуло теоретикам пищи для размышлений. Наконец, с недавнего времени в игру вступил и Большой адронный коллайдер, который тоже иногда работает в режиме столкновения тяжелых ядер.
Надо сказать, что, несмотря на многочисленные эксперименты, долгое время не удавалось четко доказать, что кварк-глюонная плазма действительно возникает в ядерных столкновениях, пусть и на краткое мгновение в десятки йоктосекунд. Проблема тут в том, что, моментально расширившись и остыв, кварк-глюонная плазма распадается на отдельные адроны. Они разлетаются во все стороны, детектор их регистрирует и восстанавливает общую картину разлета, но он неспособен просто так определить, родились они сразу в виде адронного газа или же прошли через стадию горячей жидкости.
Опознать формирование кварк-глюонной плазмы можно разными способами. Прежде всего, внутри горячей ядерной «капельки» должны быть настоящие гидродинамические течения. После распада плазмы на адроны, они должны проявиться в виде адронных эллиптических потоков и потоков более сложной формы (рис. 1 и 2). Существуют и более тонкие эффекты, например гашение струй, когда они пытаются продраться сквозь кварк-глюонную плазму, и плавление адронов внутри горячей плазмы.
Рис. 2. Иллюстрация эллиптического потока в поперечной плоскости. Слева: эллиптический поток приводит к тому, что частицы предпочитают вылетать вдоль какого-то направления в поперечной плоскости — возникает зависимость количества частиц от азимутального угла. Справа: если бы кварк-глюонная плазма не образовывалась, а частицы разлетались бы независимо, эта зависимости исчезает. Рисунок из T. Hirano et al., 2009. Hydrodynamics and Flow
Когда в начале 2000-х коллайдер тяжелых ионов RHIC сталкивал разные ядра, то работавшие на нем коллаборации PHENIX и STAR видели проявления кварк-глюонной плазмы в столкновении двух ядер золота (Au+Au), но не видели их в несимметричных столкновениях легчайшего ядра дейтерия с золотом (d+Au). Это интерпретировалось так: для возникновения плазмы требуется «всадить» в ядро достаточно энергии, чтобы по всему объему ядра произошло плавление протонов и нейтронов. Столкновение Au+Au этот порог преодолевает, а d+Au — нет.
В 2011–2012 годах детектор PHENIX был существенно модернизирован, в него были доустановлены новые компоненты, которые позволили ему собирать больше данных при столкновениях лоб в лоб, а также лучше измерять свойства адронов. В 2013 году новые эксперименты по столкновению d+Au уже показали некоторые намеки на коллективные эффекты, которые напоминают следы кварк-глюонной плазмы. Да и Большой адронный коллайдер, сталкивавший протоны с ядрами свинца, тоже обнаружил некоторые корреляции адронов. Все эти новые данные как-то не слишком вязались с общим утверждением, что в таких несимметричных столкновениях выделившейся энергии недостаточно для плавления ядра.
Обсуждая эти не вполне ясные закономерности, физики задумались о такой возможности: а может ли оказаться, что плавление ядра и образование кварк-глюонной плазмы происходит не во всем ядре, а только в маленькой «горячей зоне», в месте непосредственного удара протона по ядру? В 2014 году было опубликовано конкретное предложение по проверке этой идеи (J. L. Nagle et al., 2014. Exploiting Intrinsic Triangular Geometry in Relativistic 3 He+Au Collisions to Disentangle Medium Properties). Авторы предлагали экспериментаторам провести серию экспериментов по столкновению протона, дейтрона и гелия-3 с тяжелым ядром и измерить азимутальные характеристики разлетающихся адронов.
Если при ударе каждого нуклона большой энергии по ядру действительно образуется канал кварк-глюонной плазмы, то зона плавления будет иметь вид, как на рис. 3. А это значит, что при переходе от протона к дейтрону резко увеличится эллиптический поток, а при переходе к гелию-3 — «треугольный». На рис. 1 показаны результаты теоретического моделирования того, как должна расширяться текущая кварк-глюонная плазма и какие скорости приобретут адроны после ее распада. Вычисления показали, что такой треугольный поток должен проявиться даже несмотря на то, что ему при расширении придется продираться сквозь нерасплавившуюся часть ядра. Если же корреляции не связаны с образованием кварк-глюонной плазмы, а возникают, например, из-за особого состояния ядер до столкновения (скажем, как в модели плазмы), то такой сильной закономерности наблюдаться не должно.
Рис. 3. Геометрия столкновений протона, дейтрона, и гелия-3 с тяжелым ядром. Темно-синим цветом показаны предполагаемые «горячие зоны» — крошечные капли кварк-глюонной плазмы внутри ядра. Рисунок из доклада D. McGlinchey, 2014. Exploiting Intrinsic Triangular Geometry in Relativistic 3 He+Au Collisions to Disentangle Medium Properties
И вот совсем недавно эксперимент PHENIX выполнил ключевой из трех предложенных экспериментов (данные по d+Au уже имеются, а по p+Au появятся позднее). В ходе столкновений гелия-3 с ядрами золота на коллайдере RHIC в 2014 году было накоплено примерно полмиллиарда событий с большим числом рожденных частиц, что отвечает столкновениям лоб в лоб. Распределение рожденных частиц по азимультальному углу и по поперечному импульсу было измерено с очень высокой точностью, что позволило надежно выделить компоненты, описывающие эллиптический и треугольный потоки. Для устранения систематических погрешностей проводилось сравнение с более ранними результатами того же коллайдера по протон-протонным столкновениям, где эллиптического и треугольного потоков не должно было быть.
На рис. 4 показаны результаты по измерению эллиптического и треугольного потоков в столкновениях 3 He+Au. Их интенсивность характеризуется коэффициентами v2 и v3. В согласии с предсказаниями разнообразных моделей, учитывающих гидродинамические течения при образовании и разлете кварк-глюонной плазмы, оба этих коэффициента растут с поперечным импульсом адронов. Между самими этими моделями есть некоторые различия, но они все, за исключением одной, корректно воспроизводят тренд. Попытки описать эти данные без учета кварк-глюонной плазмы дали бы намного меньшие значения для треугольного потока.
Рис. 4. Величины v2 и v3, описывающие эллиптический и треугольный потоки адронов в центральных 3 He+Au столкновениях, в зависимости от поперечного импульса адронов. Цветные кривые и полосы показывают предсказания разных моделей; все они учитывают образование и расширение кварк-глюонной плазмы. Изображение из обсуждаемой статьи в PRL
Полученное согласие является сильным указанием на то, что в тот момент, когда встречный нуклон — не важно, один или в составе встречного ядра, — вонзается в ядро на большой энергии, он плавит ядерную материю в месте попадания. На мгновение там образуется крошечная капелька кварк-глюонной плазмы. Если встречное ядро было большое, то все эти капли сливаются и приводят к плавлению ядер целиком — это именно то, что наблюдалось раньше. Но даже если ядро маленькое, как в случае гелия-3, локальное плавление все равно происходит, просто капля кварк-глюонной плазмы остается крошечной, субъядерных масштабов. Таким образом и без того сложная многоэтапная картина столкновений релятивистских ядер дополняется еще одной подробностью.
Все эти вопросы можно объединить в одну группу: вопросы о происхождении коллективных эффектов в малых адронных коллективах. Они сейчас все больше интересуют физиков; достаточно упомянуть недавний краткий обзор результатов PHENIX на эту тему, а также то, что на прошедшей недавно конференции Quark Matter 2015 этот круг вопросов был вынесен в отдельную секцию. Будущие результаты PHENIX и других экспериментов вкупе с более отточенными теоретическими расчетами позволят разобраться с ними получше.
Источник: A. Adare et al. (PHENIX Collaboration). Measurements of Elliptic and Triangular Flow in High-Multiplicity 3 He+Au Collisions at sqrt(s)=200 GeV // Phys. Rev. Lett. V. 115. 142301 (28 September 2015); статья также доступна в архиве е-принтов.
См. также:
1) И. М. Дремин, А. В. Леонидов. Кварк-глюонная среда // УФН. 180, 1167–1196 (2010).
2) Discovery of QGP — подборка ссылок по открытию кварк-глюонной плазмы.