Кварк-глюо́нная пла́зма (КГП, ква́рковый суп, хромопла́зма) — агрегатное состояние вещества в физике высоких энергий и элементарных частиц, при котором адронное вещество переходит в фазу, характеризующуюся деконфайнментом (освобождением) кварков и глюонов.
В этом состоянии, возникающем при экстремально высоких температурах и/или плотностях, партоны (кварки и глюоны), которые в обычных условиях заключены внутри адронов (протонов, нейтронов и др.) силами сильного взаимодействия, получают возможность свободно перемещаться в пределах объёма плазмы. Название «плазма» указывает на аналогию с электромагнитной плазмой, где ионы и электроны становятся свободными носителями заряда.
Состоянию кварк-глюонной плазмы предшествует состояние глазмы (глазма разрушается, порождая множество хаотично движущихся кварков, антикварков и глюонов — кварк-глюонную плазму), а последует адронный газ.
Кварк-глюонную плазму получают в лабораторных условиях путём столкновения тяжёлых ионов, ускоренных до высоких энергий.
Общее описание и физическая природа
В обычных условиях (при низких температурах и плотностях) кварки и глюоны находятся в состоянии конфайнмента, то есть жёстко связаны внутри адронов и не наблюдаются в свободном виде. Вещество находится в так называемом «бесцветном» («белом») состоянии: цветные заряды кварков компенсируют друг друга, подобно тому как в нейтральном атоме положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронов.
При переходе к кварк-глюонной плазме происходит фазовый переход, аналогичный ионизации газа. При очень высоких энергиях «цвет» выходит на свободу, и вещество становится «квазибесцветным»: в целом облако плазмы остается нейтральным по цветному заряду, но отдельные партоны внутри него перестают быть нейтральными. Отдельные кварки и глюоны получают возможность свободно перемещаться внутри плазмы. При этом восстанавливается хиральная симметрия.
Термодинамика Температура перехода в состояние КГП (температура Хегедорна) составляет приблизительно 150 — 175 МэВ (мегаэлектронвольт) что соответствует температуре свыше 1,66 триллиона кельвинов. Поскольку эта температура превышает массу легких u- и d-кварков, давление в плазме описывается релятивистским законом Стефана — Больцмана (). Для описания состояния релятивистской жидкости, подобной КГП, которая не сохраняет число частиц, в качестве меры плотности используется плотность энтропии s.
Сходства и различия с обычной плазмой Как и в обычной плазме, где электрические заряды экранируются присутствием других подвижных зарядов (дебаевское экранирование), в КГП происходит экранирование цветного заряда. Однако существуют принципиальные различия: цветной заряд является неабелевым (в отличие от абелевого электрического заряда), что усложняет теоретическое описание.
Свойства Долгое время предполагалось, что КГП будет вести себя как газ слабо взаимодействующих частиц. Однако эксперименты, проведенные на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) и Большом адронном коллайдере (БАК), показали обратное. С 2005 года установлено, что КГП ведет себя как жидкость с почти нулевой вязкостью (идеальная жидкость).
Эксперименты продемонстрировали, что это вещество обладает наименьшим сопротивлением потоку (наименьшим отношением сдвиговой вязкости к плотности энтропии) среди всех известных субстанций. Это указывает на то, что КГП является сильно взаимодействующей системой, находящейся в состоянии теплового (локального кинетического) и химического равновесия.
Основные методы обнаружения Кварк-глюонную плазму получают в лабораторных условиях путем столкновения тяжёлых ионов (золота, свинца, ксенона), ускоренных до релятивистских (сверхвысоких) скоростей. В редких случаях столкновений образуется «файербол» (сгусток ядерной материи), который расширяется и остывает, проходя стадию адронизации (образование адронов).
Поскольку КГП существует ничтожно малое время (порядка с) и после распадается на адроны, её прямое наблюдение невозможно. О существовании и свойствах плазмы судят по продуктам распада и косвенным признакам ("сигнатурам").
Гашение струй: Одна из наиболее ярких характеристик КГП — её непрозрачность для цветных зарядов. Партоны с высоким поперечным импульсом, проходя через плазму, теряют энергию ( ГэВ/фм). Это явление было предсказано теоретически и подтверждено экспериментально (впервые объявлено ЦЕРН в 2010 году). В результате наблюдается подавление выхода высокоэнергетичных адронов в ядро-ядерных столкновениях по сравнению с протон-протонными. Эллиптический поток: Коллективное движение частиц, разлетающихся после столкновения, демонстрирует анизотропию, характерную для гидродинамического расширения жидкости под давлением, а не свободного разлёта газа. Это стало ключевым доказательством жидкостной природы КГП. Рождение странности: В горячей плазме глюоны легко сталкиваются и рождают пары странных кварков (s). Поскольку масса странного кварка сравнима с температурой плазмы, происходит усиленное образование частиц, содержащих странные кварки (каонов, гиперонов), по сравнению с обычными столкновениями, где преобладают легкие u- и d-кварки. Термальные фотоны и дилептоны: В отличие от адронов, фотоны и лептоны не участвуют в сильном взаимодействии и могут свободно покидать объём плазмы, неся информацию о температуре среды. Дилептоны (лептонные пары) служат «термометром» КГП. Эксперимент NA60 (CERN SPS) показал, что спектр инвариантных масс дилептонов соответствует тепловому излучению с температурой выше 200 МэВ, что значительно превышает критическую температуру фазового перехода. Плавление кваркониев: В среде КГП подавляется образование тяжёлых мезонов, таких как (чармоний), из-за экранирования взаимодействия между тяжёлыми кварками. Мезоны, погружённые в плазму, буквально «плавятся».
Кварк-глюонная плазма в природе
Ранняя Вселенная Согласно модели Большого взрыва, Вселенная находилась в состоянии кварк-глюонной плазмы в «кварковую эпоху» — в интервале от до секунды после Большого взрыва. Изучение КГП позволяет моделировать условия, существовавшие в эти первые мгновения. Считается, что свойства КГП могли сыграть роль в возникновении барионной асимметрии Вселенной. После остывания Вселенной ниже критической температуры произошла адронизация — кварки объединились в протоны и нейтроны.
Нейтронные звезды Существует гипотеза, что ядра некоторых массивных нейтронных звезд могут состоять из кварк-глюонной плазмы.
17 августа 2024 года было объявлено об определении свойств плотной кварковой материи при слиянии нейтронных звезд. Было установлено, что объёмная вязкость такой материи достигает максимума при температурах значительно более низких, чем в ядерной материи.
Атомные ядра Есть гипотеза, что атомные ядра в своём составе, кроме протонов и нейтронов, содержат «капельки» КГП, то есть ядра рассматриваются как гетерофазные системы.
История изучения
Конец 1970-х — начало 1980-х: Разработка теоретических основ. Термин «кварк-глюонная плазма» был введен Э. В. Шуряком в 1978 году. Активные теоретические исследования велись в СССР. 1980-е — 1990-е: Эксперименты на Супер-протонном синхротроне (SPS) в ЦЕРН. В 2000 году ЦЕРН выпустил пресс-релиз с доказательствами образования нового состояния вещества, но воздержался от прямого заявления об открытии КГП. 2005 год: Экспериментальное подтверждение получения КГП на ускорителе RHIC (Брукхейвенская национальная лаборатория, США). Обнаружение свойств идеальной жидкости. 2010 год: На RHIC получена температура плазмы в 4 триллиона градусов Цельсия. 2011 и 2012 года: Эксперимент ALICE на БАК перешёл к столкновению ионов свинца для детального изучения КГП. В августе 2012 года достигнута рекордная температура в 5,5 триллионов кельвинов. Октябрь 2017 года: На БАК впервые столкнули ядра ксенона для определения критической энергии образования плазмы. 26 августа 2024 года: Стало известно, что на БАК столкновение фотонов с ионами свинца привело к образованию мельчайших капель кварк-глюонной плазмы, ведущих себя как идеальная жидкость.
В настоящее время исследования продолжаются на установках RHIC (США) и БАК (Швейцария). В России был построен коллайдер NICA, одной из целей которого является изучение фазовых переходов кварк-глюонной материи. В проекте ALICE также участвует Лаборатория физики сверхвысоких энергий СПбГУ.
См. также Кварковая звезда Кварковая новая Конфайнмент Адрон Квантовая электродинамика Квантовая гидродинамика
Примечания
Литература
Ссылки at at
Диагностика кварк-глюонной плазмы с помощью жестких кхд-процессов в ультрарелятивистских соударениях ядер
Категория:Адроны Категория:Квантовая хромодинамика Категория:Плазма Категория:Физическая космология Категория:Агрегатные состояния Категория:Глюоны