Кварк-глюонная плазма

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эксперимент ALICE ЦЕРНа участвует в исследовании кварк-глюонной плазмы<ref>Шаблон:Cite web</ref>

Кварк-глюо́нная пла́зма (КГП<ref name="lenta1">Шаблон:Cite web</ref>, ква́рковый суп<ref>Шаблон:Статья</ref>, хромопла́зма<ref name="femto1">Шаблон:Cite web</ref>) — агрегатное состояние<ref>Шаблон:Cite web</ref> вещества в физике высоких энергий и элементарных частиц, при котором адронное вещество переходит в фазу, характеризующуюся деконфайнментом (освобождением) кварков и глюонов<ref name=":0">Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Статья</ref><ref name="nuclphys1">Шаблон:Cite web</ref>.

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<ref name="lenta1" /><ref name="femto1" />.

Состоянию кварк-глюонной плазмы предшествует состояние глазмы<ref name="kor">Шаблон:Cite web</ref> (глазма разрушается, порождая множество хаотично движущихся кварков, антикварков и глюонов — кварк-глюонную плазму<ref>Шаблон:Cite web</ref>), а последует адронный газ<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Кварк-глюонную плазму получают в лабораторных условиях путём столкновения тяжёлых ионов, ускоренных до высоких энергий<ref name=":7" />.

Общее описание и физическая природа

Ограничение цвета — это явление, при котором кварки и глюоны образуют цветонейтральные группы при низких энергиях Шаблон:Внешние медиафайлы

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<ref name="lenta1" />: 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<ref>Шаблон:Статья</ref>. При очень высоких энергиях «цвет» выходит на свободу, и вещество становится «квазибесцветным»<ref name="lenta1" />: в целом облако плазмы остается нейтральным по цветному заряду, но отдельные партоны внутри него перестают быть нейтральными<ref name="nkj1">Шаблон:Cite web</ref>. Отдельные кварки и глюоны получают возможность свободно перемещаться внутри плазмы. При этом восстанавливается хиральная симметрия<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Термодинамика

Температура перехода в состояние КГП (температура Хегедорна) составляет приблизительно <math>T_H \approx </math> 150 — 175 МэВ (мегаэлектронвольт) что соответствует температуре свыше 1,66 триллиона кельвинов<ref>Шаблон:Статья</ref><ref name=":1">Шаблон:Статья</ref>. Поскольку эта температура превышает массу легких u- и d-кварков, давление в плазме описывается релятивистским законом Стефана — Больцмана (<math> P \propto T^{4}</math>). Для описания состояния релятивистской жидкости, подобной КГП, которая не сохраняет число частиц, в качестве меры плотности используется плотность энтропии s<ref name="kor" />.

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<ref name="nkj1" />. Однако эксперименты, проведенные на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) и Большом адронном коллайдере (БАК), показали обратное<ref>Шаблон:Cite web</ref>. С 2005 года установлено, что КГП ведет себя как жидкость с почти нулевой вязкостью (идеальная жидкость)<ref name=":2">Шаблон:Cite web</ref><ref name=":8">Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref><ref name="lenta1" /><ref name="aref">Шаблон:Статья</ref>.

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<ref name=":7">Шаблон:Статья</ref>. В редких случаях столкновений образуется «файербол» (сгусток ядерной материи), который расширяется и остывает, проходя стадию адронизации (образование адронов)<ref>Шаблон:Книга</ref><ref name=":5">Шаблон:Статья</ref>.

Поскольку КГП существует ничтожно малое время (порядка <math> 10^{-23}</math> с)<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref name="nkj1" /> и после распадается на адроны, её прямое наблюдение невозможно. О существовании и свойствах плазмы судят по продуктам распада и косвенным признакам ("сигнатурам")<ref>Шаблон:Статья</ref><ref name=":5" /><ref>Шаблон:Статья</ref><ref name=":1" /><ref>Шаблон:Статья</ref>.

Кварк-глюонная плазма в природе

Ранняя Вселенная

Согласно модели Большого взрыва, Вселенная находилась в состоянии кварк-глюонной плазмы в «кварковую эпоху» — в интервале от <math> 10^{-12}</math> до <math> 10^{-6}</math> секунды после Большого взрыва<ref name="aref" /><ref>Шаблон:Cite web</ref>. Изучение КГП позволяет моделировать условия, существовавшие в эти первые мгновения<ref name="lenta1" />. Считается, что свойства КГП могли сыграть роль в возникновении барионной асимметрии Вселенной<ref name="lenta1" />. 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<ref>Шаблон:Статья</ref><ref name="aref" /><ref>Шаблон:Cite web</ref>.

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<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>.

Атомные ядра

Есть гипотеза, что атомные ядра в своём составе, кроме протонов и нейтронов, содержат «капельки» КГП, то есть ядра рассматриваются как гетерофазные системы<ref>Шаблон:БРЭ</ref>.

История изучения

В настоящее время исследования продолжаются на установках RHIC (США) и БАК (Швейцария)<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>. В России строится коллайдер NICA, одной из целей которого является изучение фазовых переходов кварк-глюонной материи<ref>Шаблон:Cite web</ref>. В проекте ALICE также участвует Лаборатория физики сверхвысоких энергий СПбГУ<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

См. также

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Ссылки

Шаблон:Внешние ссылки Шаблон:Состояния материи

Источник — https://camokathomelab.servebeer.com/mediawiki/index.php?title=Кварк-глюонная_плазма&oldid=44336