Quark – gluonová plazma - Quark–gluon plasma

z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Fázový diagram QCD. Převzato z originálu od RS Bhalerao.

Quark -gluonová plazma nebo QGP je interagující lokalizovaná sestava kvarků a gluonů v tepelné (místní kinetické) a (blízké) chemické (hojné) rovnováze. Slovo plazma signalizuje, že jsou povoleny volné barevné náboje. V souhrnu z roku 1987 Léon van Hove poukázal na rovnocennost tří termínů: kvarkové gluonové plazmy, kvarkové hmoty a nového stavu hmoty. Protože je teplota nad Hagedornovou teplotou- a tedy nad stupnicí světla u, d-kvarkové hmotnosti-tlak vykazuje relativistický Stefan-Boltzmannův formát ovládaný čtvrtou mocninou teploty a mnoha prakticky hmotnými volnými kvarkovými a gluonovými složkami. Můžeme říci, že QGP se ukazuje jako nová fáze silně interagující hmoty, která projevuje své fyzikální vlastnosti z hlediska téměř volné dynamiky prakticky bezhmotných gluonů a kvarků. Kvarky i gluony musí být přítomny v podmínkách blízkých chemické (výtěžkové) rovnováze s otevřeným barevným nábojem, aby se nový stav hmoty označoval jako QGP.

Plazma Quark -gluon naplnila celý vesmír, než byla hmota vytvořena. Teorie předpovídající existenci kvark -gluonového plazmatu byly vyvinuty na konci sedmdesátých a na začátku osmdesátých let minulého století. Diskuse o experimentech s těžkými ionty následovaly a první návrhy experimentů byly předloženy v CERN a BNL v následujících letech. Quark -gluonová plazma byla poprvé detekována v laboratoři v CERNu v roce 2000.

Časová osa relativistického programu těžkých iontů CERN-SPS před objevem QGP.

Obecný úvod

Quark -gluonové plazma je stav hmoty, ve kterém jsou elementární částice, které tvoří hadrony baryonické hmoty, zbaveny vzájemné silné přitažlivosti za extrémně vysokých energetických hustot . Tyto částice jsou kvarky a gluony, které skládají baryonickou hmotu. V normální hmotě jsou kvarky omezeny ; v QGP jsou kvarky dekonfigurovány . V klasických QCD kvarcích jsou fermionické složky hadronů ( mezony a baryony ), zatímco gluony jsou považovány za bosonické složky takových částic. Gluony jsou nositeli síly nebo bosony barevné síly QCD, zatímco kvarky samy o sobě jsou jejich protějšky fermionické hmoty.

Plazma Quark -gluon je studováno, aby obnovilo a porozumělo podmínkám vysoké hustoty energie panujících ve vesmíru, když se hmota vytvořila z elementárních stupňů volnosti (kvarky, gluony) asi 20 μs po Velkém třesku . Experimentální skupiny zkoumají na „velkou“ vzdálenost (de) omezující strukturu kvantového vakua, dnešní relativistický æther, který určuje převládající formu hmoty a přírodních zákonů. Experimenty poskytují pohled na původ hmoty a hmoty: hmota a antihmota se vytvoří, když se kvark -gluonová plazma „hadronizuje“ a hmotnost hmoty pochází z omezující vakuové struktury.

Jak plazma kvark -gluon zapadá do obecného schématu fyziky

QCD je jednou z částí moderní teorie částicové fyziky, která se nazývá standardní model . Další části této teorie se zabývají elektroslabými interakcemi a neutriny . Teorie elektrodynamiky bylo testováno a bylo zjištěno správné několika dílů miliardy. Teorie slabých interakcí bylo testováno a bylo zjištěno správné několika částí z tisíce. Poruchové formy QCD byly testovány na několik procent. Poruchové modely předpokládají relativně malé změny od základního stavu, tj. Relativně nízké teploty a hustoty, což zjednodušuje výpočty za cenu obecnosti. Naproti tomu neperturbativní formy QCD byly sotva testovány. Studium QGP, které má vysokou teplotu i hustotu, je součástí tohoto úsilí o konsolidaci velké teorie částicové fyziky.

Studium QGP je také testovacím terénem pro teorii konečných teplotních polí , obor teoretické fyziky, který se snaží porozumět fyzice částic za podmínek vysokých teplot. Takové studie jsou důležité pro pochopení raného vývoje našeho vesmíru: prvních sto mikrosekund nebo tak nějak . Je zásadní pro fyzikální cíle nové generace pozorování vesmíru ( WMAP a jeho nástupci). Je také relevantní pro teorie velkého sjednocení, které se snaží sjednotit tři základní přírodní síly (kromě gravitace).

Pět důvodů ke studiu kvark -gluonové plazmy. Pozadí snímku vychází ze stropní fresky Sixtinské kaple „ Stvoření Adama “ od Michelangela . Tento obrázek zdobil plakát první letní školy s kvark -gluonovou plazmou „Výroba částic ve vysoce vzrušené záležitosti“.

Důvody pro studium tvorby kvark -gluonového plazmatu

Obecně přijímaný model formování vesmíru uvádí, že k tomu došlo v důsledku Velkého třesku . V tomto modelu, v časovém intervalu 10 -10 -10 -6 s po velkém třesku hmota existoval ve formě kvark-gluon plazma. Je možné reprodukovat hustotu a teplotu hmoty té doby existující v laboratorních podmínkách ke studiu charakteristik velmi raného vesmíru. Jedinou možností je zatím srážka dvou těžkých atomových jader zrychlená na energie více než sto GeV. Pomocí výsledku čelní srážky v objemu přibližně odpovídajícím objemu atomového jádra je možné modelovat hustotu a teplotu, které existovaly v prvních okamžicích života vesmíru.

Vztah k normální plazmě

Plazma je hmota, v níž poplatky jsou testovány vzhledem k přítomnosti jiných mobilních poplatků. Například: Coulombův zákon je skríningem potlačen, aby se získal náboj závislý na vzdálenosti , tj. Náboj Q je exponenciálně redukován vzdáleností dělenou délkou stínění α. V QGP je barevný náboj z kvarků a gluonů promítá. QGP má další analogie s normální plazmou. Existují také odlišnosti, protože barevný náboj není neabelský , zatímco elektrický náboj je abelianský. Mimo konečný objem QGP není barevně-elektrické pole stíněno, takže objem QGP musí být stále barevně neutrální. Bude tedy mít jako jádro celočíselný elektrický náboj.

Kvůli extrémně vysokým energiím jsou kvark-antikvarkové páry produkovány párovou produkcí, a proto je QGP zhruba stejná směs kvarků a antikvarků různých příchutí, jen s malým nadbytkem kvarků. Tato vlastnost není obecným rysem konvenčních plazmatů, které mohou být pro produkci páru příliš chladné (viz supernova nestability páru ).

Teorie

Jedním z důsledků tohoto rozdílu je, že barevný náboj je příliš velký pro poruchové výpočty, které jsou základem QED . Výsledkem je, že hlavními teoretickými nástroji k prozkoumání teorie QGP je teorie mřížkových měřidel . Teplota přechodu (přibližně175  MeV ) byl poprvé předpovězen teorií mřížkového měřidla. Od té doby byla mřížková teorie použita k předpovědi mnoha dalších vlastností tohoto druhu hmoty. ADS / CFT domněnka může poskytnout pohled v QGP navíc konečným cílem tekutiny / gravitační korespondence je pochopit QGP. Předpokládá se, že QGP je fází QCD, která je zcela lokálně termalizována, a je tedy vhodná pro účinný dynamický popis tekutiny.

Výroba

Výroba QGP v laboratoři je dosaženo srážce těžké atomová jádra (tzv těžkých iontů jako v urychlovač atomy ionizovaného) v relativistické energie, ve které je jedno, zahřívá značně nad teplotou Hagedorn T H = 150 MeV na částici, což je totéž, jako teplota vyšší než 1,66 x 10 12 K . Toho lze dosáhnout srážkou dvou velkých jader při vysoké energii (všimněte si toho175 MeV není energie srážejícího se paprsku). V CERN SPS a BNL RHIC byla pro takové kolize použita jádra olova a zlata . Jádra jsou zrychlena na ultrarelativistické rychlosti ( smrštění jejich délky ) a směřují k sobě, čímž se ve výjimečném případě srážky vytvoří „ohnivá koule“. Hydrodynamická simulace předpovídá, že se tato ohnivá koule bude pod svým tlakem rozpínat a při expanzi chladit. Pečlivým studiem sférického a eliptického toku experimentátoři testovali teorii.

Diagnostické nástroje

Existuje drtivý důkaz pro produkci kvark -gluonového plazmatu při relativistických srážkách těžkých iontů.

Důležité třídy experimentálních pozorování jsou

Očekávané vlastnosti

Termodynamika

Teplota přechodu z normální hadronové fáze do fáze QGP je přibližně 175 MeV . Tento „crossover“ ve skutečnosti nemusí být pouze kvalitativní vlastností, ale místo toho může mít co do činění s pravým fázovým přechodem (druhého řádu), např. Třídy univerzality trojrozměrného Isingova modelu . Příslušné jevy odpovídají hustotě energie o něco menší nežGeV /fm 3 . U relativistické hmoty nejsou tlak a teplota nezávislými proměnnými, takže stavová rovnice je vztahem mezi hustotou energie a tlakem. To bylo zjištěno pomocí mřížkových výpočtů a porovnáno jak s poruchovou teorií, tak s teorií strun . Stále se jedná o aktivní výzkum. Aktuálně se vypočítávají funkce odezvy, jako je specifické teplo a různé kvarkové citlivosti.

Tok

Objev dokonalé kapaliny byl zlomem ve fyzice. Experimenty na RHIC odhalily velké množství informací o této pozoruhodné látce, o které nyní víme, že je QGP. O jaderné hmotě při „pokojové teplotě“ je známo, že se chová jako superfluid . Při zahřívání se jaderná tekutina odpařuje a mění se ve zředěný plyn nukleonů a při dalším zahřívání na plyn baryonů a mezonů (hadronů). Při kritické teplotě, T H , hadrons taveniny a plynu vrací zpět do kapaliny. Experimenty RHIC ukázaly, že se jedná o nejdokonalejší kapalinu, jaká kdy byla pozorována při jakémkoli laboratorním experimentu v jakémkoli měřítku. Nová fáze hmoty, sestávající z rozpuštěných hadronů, vykazuje menší odpor proti proudění než jakákoli jiná známá látka. Experimenty na RHIC mají již v roce 2005, je uvedeno, že vesmíru na jeho počátku byla rovnoměrně naplněna tohoto typu materiálu, super-kapalinu, která po vesmíru ochladí na teplotu pod T H odpaří do plynu hadrons. Podrobná měření ukazují, že tato kapalina je kvark -gluonové plazma, kde kvarky, antikvarky a gluony proudí nezávisle.

Schematické znázornění oblasti interakce vytvořené v prvních okamžicích po srážce těžkých iontů s vysokými energiemi v urychlovači.

Stručně řečeno, plazma kvark -gluon proudí jako výron kapaliny, a protože není vůči kvarkům „transparentní“, může tlumit proudy vyzařované kolizemi. Kromě toho, jakmile se koule kvark -gluonového plazmatu vytvoří, jako každý horký předmět, předává teplo vnitřně zářením. Nicméně, na rozdíl od běžných předmětů, je dostatek energie k dispozici, takže gluons (částice zprostředkující silné síly ) se srazí a produkovat přebytek těžkého (tj vysokou energií ) podivné kvarky . Zatímco pokud by QGP neexistoval a došlo by k čisté kolizi, stejná energie by byla přeměněna na nerovnovážnou směs obsahující ještě těžší kvarky, jako jsou kouzelné kvarky nebo spodní kvarky .

Stavová rovnice je důležitým vstupem do rovnic toku. Rychlost zvuku (rychlost QGP hustotou kmitů) je v současné době zkoumá v příhradových výpočty. Střední volná dráha kvarků a gluonů byla vypočtena pomocí poruchové teorie a teorie strun . Mřížkové výpočty zde byly pomalejší, přestože byly uzavřeny první výpočty transportních koeficientů . Ty ukazují, že průměrný volný čas kvarků a gluonů v QGP může být srovnatelný s průměrným mezičásticovým rozestupem: proto je QGP kapalina, pokud jde o jeho tokové vlastnosti. Toto je velmi aktivní oblast výzkumu a tyto závěry se mohou rychle vyvíjet. Začlenění disipativních jevů do hydrodynamiky je další aktivní výzkumnou oblastí.

Efekt kalení tryskami

Koncem 70. let minulého století byly podrobně předpovězeny výroby proudových letadel v synchrotronu CERN Super Proton – Antiproton . UA2 pozoroval první důkazy o výrobě tryskových letadel při srážkách hadronů v roce 1981, což krátce poté potvrdilo UA1 .

Předmět byl později znovu oživen na RHIC. Jedním z nejpozoruhodnějších fyzických efektů dosažených při energiích RHIC je účinek prudkých proudů. V první fázi interakce kolidujících se relativistických jader dávají partony z kolidujících jader sekundární partony s velkým příčným impulzem ≥ 3–6 GeV / s. Při průchodu vysoce zahřátou stlačenou plazmou partony ztrácejí energii. Velikost ztráty energie partonem závisí na vlastnostech kvark -gluonového plazmatu (teplota, hustota). Kromě toho je také nutné vzít v úvahu skutečnost, že barevné kvarky a gluony jsou elementární objekty plazmy, které se liší od ztráty energie partonem v médiu sestávajícím z bezbarvých hadronů . V podmínkách kvark -gluonového plazmatu jsou energetické ztráty vyplývající z energií RHIC partony odhadovány jako dE / dx = 1 GeV / fm. Tento závěr je potvrzen porovnáním relativního výtěžku hadronů s velkým příčným impulzem při srážkách nukleon-nukleon a jádro-jádro při stejné srážkové energii. Ztráta energie partony s velkým příčným impulzem při srážkách nukleon-nukleon je mnohem menší než při srážkách jádro-jádro, což vede ke snížení výtěžku vysokoenergetických hadronů při srážkách jádro-jádro. Tento výsledek naznačuje, že jaderné srážky nelze považovat za jednoduchou superpozici srážek nukleon-nukleon. Po krátkou dobu ~ 1 μs a v konečném objemu tvoří kvarky a gluony ideální kapalinu. Kolektivní vlastnosti této tekutiny se projevují během jejího pohybu jako celku. Proto při pohybu partonů v tomto médiu je nutné vzít v úvahu některé kolektivní vlastnosti této kvarkovo -gluonové kapaliny. Energetické ztráty závisí na vlastnostech kvark -gluonového média, na hustotě partonu ve výsledné ohnivé kouli a na dynamice její expanze. Ztráty energie lehkými a těžkými kvarky během průchodu ohnivé koule jsou přibližně stejné.

V listopadu 2010 CERN oznámil první přímé pozorování kalení tryskami na základě experimentů s kolizemi těžkých iontů.

Přímé fotony a dileptony

Přímé fotony a dileptony jsou pravděpodobně nejpronikavějšími nástroji ke studiu relativistických srážek těžkých iontů. Jsou vyráběny různými mechanismy pokrývajícími časoprostorový vývoj silně interagující ohnivé koule. V zásadě také poskytují snímek v počáteční fázi. Je těžké je rozluštit a interpretovat, protože většina signálu pochází z rozpadů hadronů dlouho poté, co se ohnivá koule QGP rozpadla.

Glasma hypotéza

Od roku 2008 se diskutuje o hypotetickém prekurzorovém stavu kvark-gluonového plazmatu, takzvaného „Glasma“, kde jsou upravené částice kondenzovány do nějakého druhu sklovitého (nebo amorfního) stavu, pod skutečným přechodem mezi omezeném stavu a plazmatické kapalině. To by bylo analogické tvorbě kovových skel nebo jejich amorfních slitin pod skutečným nástupem kapalného kovového stavu.

Ačkoli experimentální vysoké teploty a hustoty predikovány výroby kvark-gluon plazma byly realizovány v laboratoři, výsledný záležitost se nebude chovat jako kvazi-ideálním stavu volných kvarků a gluonů, ale spíše jako téměř dokonalý husté tekutiny . Skutečnost, že kvark -gluonová plazma ještě nebude „volná“ při teplotách realizovaných v současnosti urychlovači, byla předpovězena v roce 1984 jako důsledek zbytkových účinků uvěznění.

Laboratorní tvorba dekonfinované hmoty

Kvarkovo -gluonová plazma (QGP) nebo kvarková polévka je stav hmoty v kvantové chromodynamice (QCD), který existuje při extrémně vysoké teplotě a/nebo hustotě . Předpokládá se, že tento stav sestává z asymptoticky volných silně interagujících kvarků a gluonů , které jsou obvykle omezeny barevným uzavřením uvnitř atomových jader nebo jiných hadronů . To je v analogii s konvenční plazmy , kde jádra a elektrony, v uzavřených uvnitř atomů od elektrostatickými silami při okolních podmínkách, se mohou volně pohybovat. Experimenty na vytvoření umělé kvarkové hmoty začaly v CERNu v letech 1986/7, což mělo za následek první tvrzení, která byla zveřejněna v roce 1991. Trvalo několik let, než byla tato myšlenka přijata v komunitě částicových a jaderných fyziků. Formování nového stavu hmoty při srážkách Pb-Pb bylo oficiálně oznámeno v CERN s ohledem na přesvědčivé experimentální výsledky předložené experimentem CERN SPS WA97 v roce 1999 a později rozpracované relativistickým těžkým iontovým urychlovačem Brookhaven National Laboratory . Kvarkovou hmotu lze vyrábět pouze v nepatrných množstvích a je nestabilní a nelze ji zadržet a během zlomku sekundy se radioaktivně rozpadne na stabilní částice hadronizací ; produkované hadrony nebo jejich produkty rozpadu a gama paprsky pak mohou být detekovány. Ve fázovém diagramu kvarkové hmoty je QGP umístěn do režimu s vysokou teplotou a vysokou hustotou, zatímco obyčejná hmota je studená a vzácná směs jader a vakua a hypotetické kvarkové hvězdy by se skládaly z relativně chladné, ale husté kvarkové hmoty . Věří se, že až několik mikrosekund (10 až 12 až 10 až 6 sekund) po Velkém třesku, známém jako epocha kvarků , byl vesmír ve stavu plazmatu kvark -gluon.

Síla barevné síly znamená, že na rozdíl od plazmatu podobného plynu se kvark-gluonové plazma chová jako téměř ideální Fermiho kapalina , přestože výzkum tokových charakteristik stále probíhá. Výzkumné týmy na detektoru solenoidů RHIC a LHC tvrdily, že kapalina nebo dokonce téměř dokonalý tok kapaliny téměř bez třecího odporu nebo viskozity . QGP se liší od „volné“ kolizní události několika funkcemi; například jeho obsah částic svědčí o dočasné chemické rovnováze produkující nadbytek podivných kvarků střední energie vs. nerovnovážná distribuce mísící lehké a těžké kvarky („produkce podivnosti“) a neumožňuje průchod proudů částic ( „tryskové kalení“).

Experimenty v CERN je Super Proton Synchrotron experimentů (SPS) začala vytvářet QGP v roce 1980 a 1990: výsledky vedly CERN oznámil důkaz pro ‚nový stav hmoty‘ v roce 2000. Vědci z Brookhaven National Laboratory v Relativistic Heavy Ion Collider oznámeno vytvořili kvark -gluonovou plazmu srážením iontů zlata téměř rychlostí světla, dosahující teploty 4 bilionů stupňů Celsia. Současné experimenty (2017) v Brookhaven National Laboratory ‚s Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) na Long Islandu (NY, USA) a v CERNu nedávné Large Hadron Collider poblíž Ženevy (Švýcarsko) jsou i nadále v tomto úsilí, které při srážkách relativistically zrychleného zlato a jiné druhy iontů (na RHIC) nebo olovo (na LHC) navzájem nebo s protony. Tři experimenty probíhající na velkém hadronovém urychlovači CERN (LHC) na spektrometrech ALICE , ATLAS a CMS pokračovaly ve studiu vlastností QGP. CERN dočasně zastavil kolidující protony a v roce 2011 začal srážet ionty olova pro experiment ALICE, aby vytvořil QGP. ALICE: Experiment Large Ion Collider Experiment v CERNu v srpnu 2012 stanovil nový rekordní teplotu v rozmezí 5,5 bilionu (5,5 × 10 12 ) kelvinů, jak uvádí jejich Nature PR.

K vytvoření plazmy kvark -gluon dochází v důsledku silné interakce mezi partony ( kvarky , gluony ), které tvoří nukleony srážejících se těžkých jader nazývaných těžké ionty. Experimenty jsou proto označovány jako relativistické experimenty srážky těžkých iontů. Teoretické a experimentální práce ukazují, že ke vzniku kvark -gluonového plazmatu dochází při teplotě T ≈ 150–160 MeV, Hagedornově teplotě a hustotě energie ≈ 0,4–1 GeV / fm 3 . Zatímco zpočátku se očekával fázový přechod, současné teoretické interpretace navrhují fázovou transformaci podobnou procesu ionizace normální hmoty na iontovou a elektronovou plazmu.

Quark -gluonová plazma a nástup dekonfinice

Ústředním problémem tvorby kvark -gluonové plazmy je výzkum nástupu dekonfinementace . Od počátku výzkumu tvorby QGP bylo otázkou, zda lze při srážkách mezi jádry a jádry dosáhnout hustoty energie . To závisí na tom, kolik energie každý nukleon ztrácí. Vlivným reakčním obrazem bylo řešení škálování, které předložil Bjorken . Tento model platí pro kolize s velmi vysokou energií. V experimentech prováděných v CERN SPS a BNL RHIC nastala složitější situace, obvykle rozdělena do tří fází:

  • Kolize primárních partonů a zastavení baryonu v době úplného překrývání kolidujících jader.
  • Přerozdělení energie částic a nových částic zrozených v ohnivé kouli QGP.
  • Ohnivá koule hmoty QGP se před hadronizací vyrovnává a rozšiřuje.

Stále více experimentálních důkazů ukazuje na sílu mechanismů tvorby QGP-působících dokonce i při srážkách protonů a protonů v energetickém měřítku LHC.

Další čtení

Knihy

  • otevřený přístup Tání hadronů, vroucí kvarky  : od teploty Hagedornu po ultra-relativistické srážky těžkých iontů v CERNu: s poctou Rolfu Hagedornovi, ed. J. Rafelski , 2016.
  • Termodynamika a rovnice stavu hmoty: od ideálního plynu po kvark -gluonové plazma, V. E Fortov, 2016.
  • Quark – Gluon Plasma: Theoretical Foundations: Annotated Reprint Collection, eds. J. Kapusta, B. Müller , J. Rafelski , 2003.
  • Quark – Gluon Plasma: Od velkého třesku k malému třesku, Kohsuke Yagi, Tetsuo Hatsuda, Yasuo Miake, 2005.
  • Fenomenologie ultra-relativistických srážek těžkých iontů, Wojciech Florkowski, 2010.
  • The Physics of the Quark – Gluon Plasma: Introductory Lectures, eds. Sourav Sarkar, Helmut Satz, Bikash Sinha, 2010.
  • Relativistická fyzika těžkých iontů. Landolt -Börnstein - Skupina I Elementární částice, jádra a atomy. 23. 2010.
  • Quark Gluon Plasma and Hadron Physics, eds. PK Sahu, SC Phatak, Yogendra Pathak Viyogi, 2009.
  • Hadrons and Quark – Gluon Plasma, J. Letessier, J. Rafelski , 2002.
  • Fyzika plazmy Quark – Gluon, B. Müller , 1985.

Recenze článků s historickou perspektivou oboru

  • Stručná historie hledání kritických struktur při srážkách těžkých iontů, Marek Gazdzicki, Mark Gorenstein, Peter Seyboth, 2020.
  • Objev kvark -gluonové plazmy: podivné deníky, Johann Rafelski, 2020.
  • Fenomenologický přehled plazmatu kvark -gluon: koncepty vs. pozorování, Roman Pasechnik, Michal Šumbera, 2017.
  • Hmota kvarku: začátek, Helmut Satz, Reinhard Stock, 2016.
  • Čtyři experimenty s těžkými ionty na CERN-SPS: Vypuštění paměťové dráhy, Emanuele Quercigh, 2012.
  • K historii výroby více částic při srážkách vysokých energií, Marek Gazdzicki, 2012.
  • Podivnost a plazma kvark -gluon: třicet let objevů, Berndt Müller, 2012.
  • Od SPS k RHIC: Maurice a těžký iontový program CERN, Ulrich W. Heinz, 2008.
  • RHIC: Od snů k paprskům za dvě desetiletí, Gordon Baym, 2002.

Viz také

Reference

externí odkazy