QCD záležitost - QCD matter

z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Kvarková hmota nebo QCD hmota ( kvantová chromodynamická ) označuje jakoukoli z řady hypotetických fází hmoty, jejíž stupně volnosti zahrnují kvarky a gluony , z nichž prominentním příkladem je kvark-gluonová plazma . Tomuto tématu je věnováno několik sérií konferencí v letech 2019, 2020 a 2021.

Kvarky se uvolňují do tvarohové hmoty při extrémně vysokých teplotách a / nebo hustotách a některé z nich jsou stále jen teoretické, protože vyžadují podmínky tak extrémní, že je nelze vyrobit v žádné laboratoři, zejména ne za rovnovážných podmínek. Za těchto extrémních podmínek je narušena známá struktura hmoty , kde základní složkou jsou jádra (skládající se z nukleonů, které jsou vázanými stavy kvarků) a elektrony. V kvarkové hmotě je vhodnější považovat samotné kvarky za základní stupně volnosti.

Ve standardním modelu částicové fyziky je silná síla popsána teorií QCD . Při běžných teplotách nebo hustotách tato síla omezuje kvarky na kompozitní částice ( hadrony ) o velikosti kolem 10 −15  m = 1  femtometr = 1 fm (odpovídá energetické škále QCD Λ QCD  ≈ 200  MeV ) a její účinky nejsou patrné při delší vzdálenosti.

Když však teplota dosáhne energetické stupnice QCD ( T řádově 10 12   kelvinů ) nebo hustota stoupne do bodu, kdy je průměrná mezikvarková separace menší než 1 fm ( chemický potenciál kvarku μ kolem 400 MeV), jsou hadrony roztavily se do jejich základních kvarků a silná interakce se stala dominantním rysem fyziky. Takovým fázím se říká kvarková hmota nebo QCD hmota.

Síla barevné síly činí vlastnosti kvarkové hmoty na rozdíl od plynu nebo plazmy, místo toho vede ke stavu hmoty, který více připomíná kapalinu. Při vysokých hustotách je kvarková hmota kapalinou Fermi , ale předpokládá se, že bude vykazovat barevnou supravodivost při vysokých hustotách a teplotách pod 10 12 K.

Nevyřešený problém ve fyzice :

QCD v neporušeném režimu: kvarková hmota . Rovnice QCD předpovídají, že by se při vysoké teplotě a hustotě mělo vytvořit moře kvarků a gluonů . Jaké jsou vlastnosti této fáze hmoty ?

Výskyt

Přirozený výskyt

V tuto chvíli nebyla pozorována žádná hvězda s vlastnostmi očekávanými od těchto objektů, i když pro jádrovou hmotu v jádrech velkých neutronových hvězd byly poskytnuty určité důkazy.

  • Strangelets . Jedná se o teoreticky postulované (ale dosud nepozorované) kusy podivné hmoty obsahující téměř stejné množství nahoru, dolů a podivných kvarků. Strangelety mají být přítomny v galaktickém toku vysokoenergetických částic a měly by proto být teoreticky detekovatelné v kosmických paprscích zde na Zemi, ale nebyl s jistotou detekován žádný strangelet.
  • Dopady kosmického záření . Kosmické záření obsahuje mnoho různých částic, včetně vysoce zrychlených atomových jader, zejména železa .

Laboratorní experimenty naznačují, že nevyhnutelná interakce s těžkými jádry vzácného plynu v horní atmosféře by vedla ke tvorbě kvark-gluonové plazmy.

Laboratorní experimenty

Trajektorie úlomků částic z jedné z prvních kolizí olověných iontů s LHC, jak byly zaznamenány detektorem ALICE . Extrémně krátký vzhled kvarkové hmoty v kolizním bodě je odvozen ze statistik trajektorií.

I když se kvark-gluonová plazma může vyskytovat pouze za poměrně extrémních podmínek teploty a / nebo tlaku, aktivně se studuje na urychlovačích částic , jako je Large Hadron Collider LHC v CERNu a relativistický těžký iontový urychlovač RHIC v Brookhaven National Laboratory .

Při těchto srážkách dochází k plazmě pouze velmi krátkou dobu, než se spontánně rozpadne. Fyzikální vlastnosti plazmy jsou studovány detekcí nečistot vycházejících z oblasti srážky pomocí detektorů velkých částic

Srážky těžkých iontů při velmi vysokých energiích mohou produkovat malé krátkodobé oblasti vesmíru, jejichž hustota energie je srovnatelná s hustotou vesmíru o délce 20 mikrosekund . Toho bylo dosaženo srážkou těžkých jader, jako jsou jádra olova, při vysokých rychlostech, a první tvrzení o tvorbě kvark-gluonové plazmy přišlo z urychlovače SPS v CERN v únoru 2000.

Tato práce pokračovala u silnějších urychlovačů, jako je RHIC v USA, a od roku 2010 u evropského LHC v CERNu v příhraniční oblasti Švýcarska a Francie. Existují dobré důkazy o tom, že plazma kvark – gluon byla také produkována na RHIC.

Termodynamika

Kontextem pro pochopení termodynamiky kvarkové hmoty je standardní model částicové fyziky, který obsahuje šest různých příchutí kvarků a leptony jako elektrony a neutrina . Ty interagují prostřednictvím silné interakce , elektromagnetismu a také slabé interakce, která umožňuje, aby se jedna chuť kvarku změnila v jinou. Mezi částicemi, které nesou elektrický náboj, dochází k elektromagnetickým interakcím; dochází k silným interakcím mezi částicemi, které nesou barevný náboj .

Správné termodynamické zpracování tvarohové hmoty závisí na fyzikálních souvislostech. U velkých množství, která existují po dlouhou dobu („termodynamický limit“), musíme vzít v úvahu skutečnost, že jedinými konzervovanými náboji ve standardním modelu jsou číslo kvarku (ekvivalentní baryonovému číslu), elektrický náboj, osm barev poplatky a leptonové číslo. Každý z nich může mít přidružený chemický potenciál. Velké objemy hmoty však musí být elektricky a barevně neutrální, což určuje chemický potenciál elektrického a barevného náboje. To ponechává trojrozměrný fázový prostor , parametrizovaný chemickým potenciálem kvarku, chemickým potenciálem leptonu a teplotou.

V kompaktních hvězdách by kvarková hmota zabírala kubické kilometry a existovala po miliony let, takže termodynamický limit je vhodný. Neutrina však unikají a porušují leptonové číslo, takže fázový prostor pro kvarkovou hmotu v kompaktních hvězdách má pouze dva rozměry, teplotu ( T ) a chemický potenciál kvarkového čísla μ. Strangelet není v termodynamické hranici velkého objemu, tak je to jako exotická jádra: to může nést elektrický náboj.

Srážka těžkých iontů není ani v termodynamickém limitu velkých objemů, ani v dlouhých časech. Když odložíme otázky, zda je dostatečně vyvážený, aby byla použitelná termodynamika, rozhodně není dostatek času na to, aby došlo k slabým interakcím, takže chuť je zachována a existují nezávislé chemické potenciály pro všech šest tvarohových příchutí. Počáteční podmínky ( parametr nárazu srážky, počet kvarků nahoru a dolů v kolidujících jádrech a skutečnost, že neobsahují žádné kvarky jiných příchutí) určují chemické potenciály. (Odkaz na tuto část :,).

Fázový diagram

Konjektovaná forma fázového diagramu hmoty QCD s teplotou na svislé ose a kvarkovým chemickým potenciálem na vodorovné ose, a to jak v megaelektronových voltech .

Fázový diagram tvarohu hmoty není dobře znám, a to buď experimentálně nebo teoreticky. Běžně domnělá forma fázového diagramu je znázorněna na obrázku vpravo. Je použitelný pro hmotu v kompaktní hvězdě, kde jedinými relevantními termodynamickými potenciály jsou kvarkový chemický potenciál μ a teplota T.

Pro orientaci také ukazuje typické hodnoty μ a T při srážkách těžkých iontů a v raném vesmíru. Pro čtenáře, kteří nejsou obeznámeni s konceptem chemického potenciálu, je užitečné myslet na μ jako na míru nerovnováhy mezi kvarky a antikvarky v systému. Vyšší μ znamená silnější zkreslení upřednostňující kvarky před antikvarkami. Při nízkých teplotách nejsou žádné antikvarky a vyšší μ obecně znamená vyšší hustotu kvarků.

Obyčejná atomová hmota, jak ji známe, je ve skutečnosti smíšená fáze, kapičky jaderné hmoty (jádra) obklopené vakuem, které existuje na hranici nízkoteplotní fáze mezi vakuem a jadernou hmotou, při μ = 310 MeV a T blízké nule. Pokud zvýšíme hustotu kvarků (tj. Zvýšíme μ) a udržíme nízkou teplotu, přejdeme do fáze stále více stlačené jaderné hmoty. Sledování této cesty odpovídá hrabání se stále hlouběji do neutronové hvězdy .

Nakonec při neznámé kritické hodnotě μ dojde k přechodu na kvarkovou hmotu. Při ultravysokých hustotách očekáváme, že najdeme fázi zabarvenou příchutí (CFL) barevně supravodivé kvarkové hmoty. Při střední hustotě očekáváme některé další fáze (na obrázku označené jako „tekutina kvarků bez CFL“), jejichž povaha je v současné době neznámá. Mohly by to být jiné formy barevně supravodivé kvarkové hmoty nebo něco jiného.

Nyní si představte, že začínáte v levém dolním rohu fázového diagramu, ve vakuu, kde μ =  T  = 0. Pokud zahřejeme systém bez zavedení jakékoli preference kvarků před antikvarkami, odpovídá to vertikálnímu pohybu nahoru podél osy T. Zpočátku jsou kvarky stále omezené a vytváříme plyn hadronů ( většinou pionů ). Pak kolem T  = 150 MeV dojde k přechodu na kvarkovou gluonovou plazmu: tepelné fluktuace rozbijí piony a najdeme plyn kvarků, antikvarků a gluonů, stejně jako lehčí částice, jako jsou fotony, elektrony, pozitrony atd. Sledování této cesty odpovídá cestování daleko zpět v čase (tak říkajíc), stavu vesmíru krátce po velkém třesku (kde byla velmi malá preference kvarků před antikvarky).

Hranice, která stoupá z přechodu jaderné / kvarkové hmoty a poté se ohýbá zpět k ose T , s jejím koncem označeným hvězdou, je domnělou hranicí mezi omezenými a neomezenými fázemi. Až donedávna se také věřilo, že jde o hranici mezi fázemi, kde je narušena chirální symetrie (nízká teplota a hustota), a fázemi, kde je neporušená (vysoká teplota a hustota). Nyní je známo, že fáze CFL vykazuje rozbití chirální symetrie a další fáze kvarkové hmoty mohou také rozbíjet chirální symetrii, takže není jasné, zda se skutečně jedná o chirální přechodovou linii. Linka končí v „chirálním kritickém bodě “, který je na tomto obrázku označen hvězdou, což je speciální teplota a hustota, při které se očekávají výrazné fyzikální jevy, analogické kritické opalescenci . (Odkaz na tuto část :,).

Pro úplný popis fázového diagramu je nutné mít úplné porozumění husté, silně interagující hadronové hmoty a silně interagující kvarkové hmoty z některé základní teorie, např. Kvantové chromodynamiky (QCD). Protože však takový popis vyžaduje správné porozumění QCD v jeho neporušujícím režimu, který ještě zdaleka není zcela pochopen, zůstává jakýkoli teoretický pokrok velmi náročný.

Teoretické výzvy: techniky výpočtu

Fázová struktura tvarohové hmoty zůstává většinou hypotetická, protože je obtížné provádět výpočty předpovídající vlastnosti tvarohové hmoty. Důvodem je to, že QCD, teorie popisující dominantní interakci mezi kvarky, je silně spojena při hustotách a teplotách největšího fyzického zájmu, a proto je velmi těžké z něj získat jakékoli předpovědi. Zde je stručný popis některých standardních přístupů.

Teorie mřížky

Jediným aktuálně dostupným výpočtovým nástrojem prvního principu je mřížkový QCD , tj. Počítačové výpočty hrubou silou. Kvůli technické překážce známé jako problém s fermionovým znamením lze tuto metodu použít pouze při nízké hustotě a vysoké teplotě (μ <  T ) a předpovídá, že k přechodu na kvark-gluonovou plazmu dojde kolem T  = 150 MeV. , nelze jej použít ke zkoumání zajímavé barevné supravodivé fázové struktury při vysoké hustotě a nízké teplotě.

Slabá teorie vazby

Protože QCD je asymptoticky zdarma , stává se slabě vázaným při nerealisticky vysokých hustotách a lze použít diagramové metody. Takové metody ukazují, že fáze CFL se vyskytuje při velmi vysoké hustotě. Při vysokých teplotách však schematické metody stále nejsou plně pod kontrolou.

Modely

K získání přibližné představy o tom, jaké fáze mohou nastat, lze použít model, který má některé stejné vlastnosti jako QCD, ale je s ním snadnější manipulovat. Mnoho fyziků používá modely Nambu-Jona-Lasinio , které neobsahují žádné gluony, a silnou interakci nahrazují interakcí čtyřmi fermiony . K analýze fází se běžně používají metody středního pole. Dalším přístupem je vakový model , ve kterém jsou účinky vězení simulovány aditivní hustotou energie, která penalizuje neomezenou tvarohovou hmotu.

Efektivní teorie

Mnoho fyziků se jednoduše vzdá mikroskopického přístupu a provádí informované odhady očekávaných fází (možná na základě výsledků modelu NJL). Pro každou fázi pak sepsají efektivní teorii pro nízkoenergetické buzení, pokud jde o malý počet parametrů, a použijí ji k předpovědi, která by mohla umožnit fixaci těchto parametrů experimentálním pozorováním.

Další přístupy

Existují i ​​jiné metody, které se někdy používají ke objasnění QCD, ale z různých důvodů dosud nepřinesly užitečné výsledky při studiu kvarkové hmoty.

1 / N expanze

Treat počet barev, N , která je vlastně 3, jako velké množství, a expandovat v pravomoci 1 / N . Ukazuje se, že při vysoké hustotě jsou korekce vyššího řádu velké a expanze přináší zavádějící výsledky.

Supersymetrie

Přidání skalárních kvarků (kvarků) a fermionových gluonů (gluinos) k teorii ji činí přitažlivější, ale termodynamika kvarkové hmoty rozhodujícím způsobem závisí na skutečnosti, že pouze fermiony mohou nést číslo kvarku, a na počtu stupňů volnosti obecně.

Experimentální výzvy

Experimentálně je těžké zmapovat fázový diagram kvarkové hmoty, protože bylo poměrně obtížné naučit se, jak se v laboratorním experimentu naladit na dostatečně vysoké teploty a hustotu pomocí srážek relativistických těžkých iontů jako experimentálních nástrojů. Tyto srážky však nakonec poskytnou informace o přechodu z hadronické hmoty na QGP. Bylo navrženo, že pozorování kompaktních hvězd může také omezit informace o oblasti s vysokou hustotou a nízkou teplotou. Modely chlazení, odstřeďování a precese těchto hvězd nabízejí informace o příslušných vlastnostech jejich vnitřku. Jak budou pozorování přesnější, fyzici doufají, že se dozví více.

Jedním z přírodních předmětů budoucího výzkumu je hledání přesného umístění chirálního kritického bodu. Některé ambiciózní výpočty QCD mřížky mohly najít důkaz pro to a budoucí výpočty objasní situaci. Kolize těžkých iontů mohou být schopny měřit svou polohu experimentálně, ale to bude vyžadovat skenování v rozsahu hodnot μ a T.

Důkaz

V roce 2020 byl poskytnut důkaz, že jádra neutronových hvězd s hmotností ~ 2 M byla pravděpodobně složena z kvarkové hmoty. Jejich výsledek byl založen na slapové deformovatelnosti neutronových hvězd během slučování neutronových hvězd měřené observatořemi gravitačních vln , což vedlo k odhadu poloměru hvězdy v kombinaci s výpočty stavové rovnice týkající se tlaku a hustoty energie jádra hvězdy. Důkazy byly silně sugestivní, ale přesvědčivě neprokázaly existenci kvarkové hmoty.

Viz také

Zdroje a další čtení

  • Aronson, S. a Ludlam, T .: „Hunting the quark gluon plasma“ , US Dept. of Energy (2005)
  • Letessier, Jean: Hadrony a kvark-gluonová plazma , Cambridge monografie o fyzice částic, jaderné fyzice a kosmologii (sv. 18), Cambridge University Press (2002)
  • Ruce (2001). "Fázový diagram QCD". Současná fyzika . 42 (4): 209–225. arXiv : fyzika / 0105022 . Bibcode : 2001ConPh..42..209H . doi : 10.1080 / 00107510110063843 . S2CID   16835076 .
  • K. Rajagopal (2001). „Uvolněte kvarky“ (PDF) . Čára paprsku . 32 (2): 9–15.

Reference

externí odkazy