Физики «развязали» магнитное поле и кварк-глюонную плазму. Поиск сигналов кварк-глюонной плазмы Кварк глюонная модель

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;

Прошло всего три недели с начала работ по столкновению тяжелых ионов в Большом адронном коллайдере, и физики трех экспериментов (ALICE, CMS и ATLAS) уже получили первые данные о том, какой была материя в самые ранние мгновения существования Вселенной. Эксперимент ALICE (A Large Ion Collider Experiment), специально оптимизированный для изучения тяжелых ионов (сейчас сталкиваются пучки ионов свинца), уже опубликовал первые данные, свидетельствующие об образовании так называемой кварк-глюонной плазмы.

Это состояние, в котором находилась вся материя через примерно 0,00000000001 секунды после Большого взрыва.

В тот момент даже элементарные частицы — протоны и нейтроны — еще «не собрались» из составляющих их кварков и глюонов. Их температура и скорости движения были слишком высокими для формирования частиц, поэтому они составляли лишь смешанную «жидкость» — кварк-глюонную плазму. ALICE удалось наблюдать так называемый эллиптический поток, напрямую говорящий о возникновении кварк-глюонной плазмы.

Несколько дней назад коллаборации ATLAS и CMS сообщили об обнаружении еще одного эффекта, характерного для образования этого экстремального состояния вещества, - гашения адронных струй. Работа физиков ATLAS принята к публикации в журнале Physical Review Letters , а

в четверг в CERN состоится семинар, на котором будут доложены все последние результаты коллабораций.

«Поистине впечатляет то, как быстро эксперименты пришли к этим сложным физическим результатам. Коллаборации соревнуются друг с другом в быстроте публикаций материала, однако, конечно, работают вместе, чтобы создать полную картину изучаемых явлений и провести перекрестное сравнение результатов. Это прекрасный пример того, как работают конкуренция и сотрудничество - ключевые точки в этой области исследований», — отметил Серджио Бертолуччи, директор CERN по исследованиям, слова которого приводит пресс-служба организации .

Эксперименты БАК в основном изучают одни и те же явления, однако конструкции их принципиально различаются.

Это позволяет наблюдать происходящие при столкновении пучков частиц события разными методами, более четко регистрировать их и проверять, является ли наблюдение следствием возникновения некого эффекта или это лишь «шумы». Только при получении одних и тех же данных несколькими методами их считают достоверными.

Изучение кварк-глюонной плазмы - один из приоритетов работы БАК. Это поможет не только понять, как выглядела Вселенная сразу после рождения, но и изучить процесс формирования современной материи.

Кварк-глюонная плазма - максимально «распределенное» состояние вещества, где частицы - кварки и глюоны — не связаны так называемыми сильными взаимодействиями, которые сейчас поддерживают существование протонов, нейтронов и вообще всех ядер Периодической системы имени Менделеева, из которых состоит наш мир - живой и неживой.

Изучая кварк-глюонную плазму, ученые надеются лучше разобраться в природе сильного взаимодействия.

Как же создается это небывалое состояние в БАК? При столкновении ионов свинца - очень тяжелых частиц (они тяжелее протонов примерно в 200 раз) — в точке пересечения пучков концентрируется достаточно энергии, чтобы создать в очень маленьком объеме «микрокапельки» «первобытной» материи. Ее присутствие регистрируется по ряду особых сигналов, которые способна измерить аппаратура детекторов БАК.

В работе коллаборации ALICE говорится, что горячая кварк-глюонная плазма ведет себя, как жидкость с очень низкой вязкостью (идеально текучая среда). Эти данные согласуются с полученными ранее на коллайдере RHIC (The Relativistic Heavy Ion Collider, релятивистский коллайдер тяжелых ионов, Брукхейвенская национальная лаборатория, Нью-Йорк).

«Теперь, когда мы начали сталкивать тяжелые ядра, БАК стал настоящим «прибором Большого взрыва» — это звучит как фантастика. Наши наблюдении кварк-глюонной плазмы подтверждают данные коллег с RHIC, однако уже сейчас мы можем отметить дополнительные важные особенности», — отметил Юрген Шукрафт, руководитель коллаборации ALICE.

Эксперименты ATLAS и CMS эффективно наблюдали гашения струй, так как их системы позволяют очень эффективно «герметизировать» энергию и измерять ее выделение. Измеряют они, в частности, струи частиц, возникающие при столкновениях. Струи, возникающие при столкновениях протонов, чаще всего появляются парами.

Однако при столкновении тяжелых ионов струи взаимодействуют в жестких условиях горячей очень плотной среды.

В результате возникает очень характеристичный сигнал, известный как гашение струй, выражающийся в резком падении их энергии. Это значит, что при столкновении частиц в детекторе возникает среда, гораздо плотнее любой известной материи. Гашение струй - хороший параметр для детального изучения поведения плазмы.

Столкновение пучков свинца в БАК продолжится до 6 декабря. Затем коллайдер будет остановлен на несколько месяцев.

Большой адронный коллайдер - самый крупный и мощный в мире кольцевой ускоритель элементарных частиц. Он находится под землей в 27-километровом тоннеле на территории Швейцарии и Франции недалеко от Женевы в Европейском центре ядерных исследований (CERN). Активная фаза работы коллайдера началась в конце мая 2010 года. Четыре детектора гигантского прибора (CMS, ATLAS, ALICE и LHCb) занимаются изучением состояния вещества во Вселенной сразу после Большого взрыва, поисками бозона Хиггса - частицы, которая дает начало массе во Вселенной, а также поиском «новой физики» — явлений за пределами Стандартной модели, господствующей современной теории физики частиц.

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.

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 .

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.

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.

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 v 2 и v 3 . 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.

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 это выглядит очень интригующе и порождает вопрос: а какова минимальная ядерная система, в которой способна возникнуть кварк-глюонная плазма? Выражаясь простым языком, какова самая маленькая капля кварк-глюонной плазмы? Если она возникает в столкновении 3 He+Au, может ли она образоваться при сильном ударе протоном по тяжелому ядру? А в столкновениях двух протонов сверхвысоких энергий? А тот любопытный хребет в распределении адронов в событиях с экстремально большим количеством рожденных адронов, который Большой адронный коллайдер обнаружил еще в 2010 году , — он точно никак не связан с кварк-глюонной плазмой?

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.

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.

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.

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 это выглядит очень интригующе и порождает вопрос: а какова минимальная ядерная система, в которой способна возникнуть кварк-глюонная плазма? Выражаясь простым языком, какова самая маленькая капля кварк-глюонной плазмы? Если она возникает в столкновении 3 He+Au, может ли она образоваться при сильном ударе протоном по тяжелому ядру? А в столкновениях двух протонов сверхвысоких энергий? А тот любопытный хребет в распределении адронов в событиях с экстремально большим количеством рожденных адронов, который Большой адронный коллайдер обнаружил еще в 2010 году , - он точно никак не связан с кварк-глюонной плазмой?

Читайте также