Крошечные капли кварк-глюонной плазмы образуются и в несимметричных ядерных столкновениях

Рис. 1. Теоретическое моделирование того, как должно происходить расширение треугольной зоны кварк-глюонной плазмы после столкновения гелия-3 с тяжелым ядром

Рис. 1. Теоретическое моделирование того, как должно происходить расширение треугольной зоны кварк-глюонной плазмы после столкновения гелия-3 с тяжелым ядром. Рисунок из статьи J. L. Nagle et al., 2014. Exploiting Intrinsic Triangular Geometry in Relativistic 3He+Au Collisions to Disentangle Medium Properties

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.

Кварк-глюонная плазма — это такое состояние сильно взаимодействующей ядерной материи, в которой отдельные протоны и нейтроны словно растворяются друг в друге, и составляющие их кварки начинают свободно гулять по объему. Это состояние ядерного вещества может возникать при достаточно высоком давлении и температуре (примерно 2 трлн градусов, что в энергетических единицах отвечает энергии 200 МэВ). В таком состоянии находилась Вселенная спустя микросекунды после Большого взрыва, и примерно такое же состояние может до сих пор существовать в самом центре некоторых нейтронных звезд. Кроме того, теория сильно взаимодействующей материи предсказывает, что кварк-глюонная плазма должна вести себя как жидкость, а не газ. Ее положение на диаграмме «давление-температура» и детальное описание ее свойств — это своеобразный вызов современной теории сильных взаимодействий. Поэтому экспериментальное ее изучение позволит не только «заглянуть» в раннюю Вселенную или вглубь нейтронных звезд, но и лучше понять, как вообще устроено сильное взаимодействие, в том числе и внутри обычных ядер.

Именно с этой целью на специализированных ускорителях сталкиваются тяжелые ядра с большой энергией. Такие эксперименты проводились в 80–90-е годы в ЦЕРНе, на ускорителе SPS, и на рубеже веков в них стали появляться первые намеки на новое состояния вещества. Затем первенство захватил американский коллайдер тяжелых ионов RHIC, на котором в начале 2000-х кварк-глюонная плазма была окончательно открыта. Более того, в 2005 году совершенно неожиданно оказалось, что кварк-глюонная плазма ведет себя не просто как жидкость, а как жидкость идеальная, то есть практически с нулевой вязкостью — и это сразу подкинуло теоретикам пищи для размышлений. Наконец, с недавнего времени в игру вступил и Большой адронный коллайдер, который тоже иногда работает в режиме столкновения тяжелых ядер.

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.

Рис. 2. Иллюстрация эллиптического потока в поперечной плоскости

Рис. 2. Иллюстрация эллиптического потока в поперечной плоскости. Слева: эллиптический поток приводит к тому, что частицы предпочитают вылетать вдоль какого-то направления в поперечной плоскости — возникает зависимость количества частиц от азимутального угла. Справа: если бы кварк-глюонная плазма не образовывалась, а частицы разлетались бы независимо, эта зависимости исчезает. Рисунок из T. Hirano et al., 2009. Hydrodynamics and Flow

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 3He+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.

Рис. 3. Геометрия столкновений протона, дейтрона, и гелия-3 с тяжелым ядром

Рис. 3. Геометрия столкновений протона, дейтрона, и гелия-3 с тяжелым ядром. Темно-синим цветом показаны предполагаемые «горячие зоны» — крошечные капли кварк-глюонной плазмы внутри ядра. Рисунок из доклада D. McGlinchey, 2014. Exploiting Intrinsic Triangular Geometry in Relativistic 3He+Au Collisions to Disentangle Medium Properties

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 3He+Au. Их интенсивность характеризуется коэффициентами v2 и v3. 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.

Рис. 4. Величины, описывающие эллиптический и треугольный потоки адронов

Рис. 4. Величины v2 и v3, описывающие эллиптический и треугольный потоки адронов в центральных 3He+Au столкновениях, в зависимости от поперечного импульса адронов. Цветные кривые и полосы показывают предсказания разных моделей; все они учитывают образование и расширение кварк-глюонной плазмы. Изображение из обсуждаемой статьи в PRL

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 3He+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.

Источник: A. Adare et al. (PHENIX Collaboration). Measurements of Elliptic and Triangular Flow in High-Multiplicity 3He+Au Collisions at sqrt(s)=200 GeV // Phys. Rev. Lett. V. 115. 142301 (28 September 2015); статья также доступна в архиве е-принтов.

См. также:
1) И. М. Дремин, А. В. Леонидов. Кварк-глюонная среда // УФН. 180, 1167–1196 (2010).
2) Discovery of QGP — подборка ссылок по открытию кварк-глюонной плазмы.

Игорь Иванов


21
Показать комментарии (21)
Свернуть комментарии (21)

  • chech  | 18.10.2015 | 10:59 Ответить
    1. А почему именно золото?
    2. При таких столкновениях идут ядерные реакции?
    Ответить
    • Игорь Иванов > chech | 18.10.2015 | 14:53 Ответить
      1. Видимо, просто достаточно чистый тяжелый элемент, удобно выделять. Там проводились эксперименты и с ядрами меди и алюминия — это для того, чтобы проверить, как разные эффекты зависят от размера ядра. На LHC используется свинец.

      2. Нет, ядерные реакции происходят только при низких энергиях, а тут все нафик разрушается. Тут энергия столкновений в расчете на пару встречных нуклонов 200 ГэВ, это на 4-6 порядков больше типичных энергий, где проявляется структура ядра и идут ядерные реакции.
      Ответить
      • chech > Игорь Иванов | 18.10.2015 | 16:06 Ответить
        2. То есть, на выходе-то всё равно могут получиться другие элементы, просто невозможно предсказать, какие именно? Или вообще один сплошной водород получится?
        Ответить
        • Игорь Иванов > chech | 18.10.2015 | 18:16 Ответить
          Это не превращение элеметров друг в друга, это уже следующий уровень «стирания информации» о веществе. На выходе не ядра летят, а адронная мешанина. Легкие ядра и легкие антиядра там тоже встречаются, вот была недавняя новость от детектора ALICE: http://elementy.ru/novosti_nauki/432555
          Ответить
          • chech > Игорь Иванов | 18.10.2015 | 19:06 Ответить
            А когда всё достаточно остынет - ядра-таки появятся?
            Ответить
            • PavelS > chech | 19.10.2015 | 00:11 Ответить
              Так вот Игорь же послал ссылку, графики, как ищут антиядра в потоках частиц. Не вникая в детали, смысл такой: протонов много, очень много, а вот более тяжелых ядер уже мало, ядер гелия - совсем мало. Причем летит много как протонов, так и антипротонов. Это, полагаю, для лобовых столкновений, которые собственно и есть предмет изучения. Т.е. получается межгалактическая среда, какой она была до появления первых звёзд - водород, только ещё меньше гелия.

              Если бы эксперимент проводили в бескрайнем вакууме, то было бы ещё много антипротонов, но они в условиях детектора быстро остановятся и аннигилируют.

              Да, такой момент. Остывание проходит так, что термоядерного сгорания водорода не происходит - не стоит думать, что при остывании протоны начнут слипаться. Водород вообще неохотно сгорает в термоядерных печках типа звёзд, а в земных условиях как термоядерное горючее вовсе не рассматривается.
              Ответить
              • Игорь Иванов > PavelS | 19.10.2015 | 13:01 Ответить
                Ну да, и я еще добавлю про температуры и синтез. Во-первых, плазма хоть и остывает, но температуры там все равно порядка 100 МэВ. Синтез элементов при слиянии требует температур пониже. В центре Солнца, для сравнения, около 1 кэВ.

                Во-вторых, разлет и остывание плазмы происходит очень быстро, на адронных масштабах времен. Синтез элементов наподобие термоядерной реакции требует слабого взаимодействия. Так что единственный тип процессов, который успевает произойти, это перегруппировка адронов в разных комбинациях. Часть из них могут оказаться обычными ядрами, часть — всякой экзотикой.
                Ответить
    • PavelS > chech | 19.10.2015 | 00:03 Ответить
      Ускорительщики берут золото. Или свинец, как на БАК. Почему, к примеру, не взять плутоний или даже более тяжелый калифорний (получаемый граммами, т.е. в достаточных количествах) - тот же вопрос я уже задавал, но у Игоря ответа не нашлось. Полагаю, более тяжелые ядра теряют стабильность в процессе ионизации. Во-первых, электронные оболочки частично пересекаются с ядром, что должно частично нейтрализовывать ядерное отталкивание протонов, во-вторых, чтобы оторвать последний электрон, надо приложить немало энергии - ядро может с высокой вероятностью разделиться. Но это мои догадки, ответа от спецов у меня нет. Мне не известно, можно ли в принципе ионизировать атом урана полностью - т.е. сорвать все электроны.
      Ответить
      • Angl > PavelS | 19.10.2015 | 00:22 Ответить
        Видимо, связано с высокой активностью калифорния и токсичностью плутония, опять же нужен высший уровень контроля над такими материалами.
        В Дубне и Беркли используют, но там наверное приходится выбрасывать много активной аппаратуры после эксперимента.
        Ответить
      • Игорь Иванов > PavelS | 19.10.2015 | 13:12 Ответить
        Уран тоже используется, в том же RHIC были в 2012 году столкновения U+U. Польза от ядер урана не только в том, что они еще больше, чем золото, но и что они деформированные. Использовать более редкие и дорогие элементы нет резона. В многоступенчатом процессе получения и ускорения пучков выживает очень небольшая часть исходного вещества. Насчет трудностей с ионизацией я с ходу не скажу; знаю только, что там сначала ядра ионизуют частично, накапливают, а потом «срывают покровы» окончательно.
        Ответить
  • AndreyS  | 18.10.2015 | 18:42 Ответить
    А разве дабл риджа в рр не достаточно для того, чтобы говорить о коллективности?
    Ответить
    • Игорь Иванов > AndreyS | 19.10.2015 | 13:16 Ответить
      Ридж говорит о корреляциях, но что их вызывает — это другой вопрос. В pp это скорее всего чисто кинематические эффекты замедления внутренней динамики в протонах до и сразу после столкновения (т.е. color glass condensate и глазма). Настоящей КГП в pp столкновениях, по-видимому, не образуется, по крайней мере при нынешних энергиях.
      Ответить
  • nicolaus  | 18.10.2015 | 21:49 Ответить
    Игорь, меня интересуют следующие вопросы.

    1. Насколько является правильным термин «кварк-глюонная плазма», поскольку эта сущность является жидкостью? Может быть более правильным является термин – «кварк-глюонная среда», который использован в статье в УФН.
    2. Можно ли говорить, что между внутренней частью кварк-глюонной плазмы и внешним пространством есть граница? (У любой жидкости с внешней средой есть граница.) Чем эта граница образована?
    3. Можно ли говорить, что протон или нейтрон представляют собой капельку кварк-глюонной плазмы, только остывшей, которая имеет границу?
    4. Как можно интерпретировать температуру применительно к кварк-глюонной плазме (как энергию циркуляционных потоков жидкости?). Как можно объяснить процесс остывания? (за счет «испарения» адронов?). Как можно объяснить расширение плазмы? (даже не могу предположить, как. Жидкости обычно не сжимаемы).
    Ответить
    • ovz > nicolaus | 19.10.2015 | 09:28 Ответить
      Позвольте, я к третьему вопросу присоединюсь.

      Можно ли рассматривать кварк глюонную плазму как продолжение ряда многокварковых состояний. Т.е. мезон, барион, тетракварк, пентакварк ... многокварк (кварк-глюонная плазма).
      Речь идет о принципиальном различии. Понятно, что по мере продвижения вверх к многокварковости система кварков теряет одни свойства и приобретает новые. Так система из трех кварков, находящаяся в устойчивом (условно конечно) состоянии (назовем его опять таки условно "твердым"), по мере увеличения кварков переходит в более аморфное и даже жидкое состояние (слово жидкое уже наверно можно без кавычек употребить). Соответственно система по мере роста кварков теряет свойство конфаймента, поскольку при распаде (разделении на части) системе уже не требуется энергия на создание новых кварк-антикварковых пар.
      Другими словами, есть ли принципиальные различия между этими явлениями? Как следствие, является ли это косвенным подтверждением существования шестикварков, семикварков, восьмикварков и т.д. как частного случая кварк-глюонной плазмы?
      Ответить
      • Игорь Иванов > ovz | 19.10.2015 | 13:27 Ответить
        Вы пытаетесь притянуть классические аналогии в область квантовой механики. Протон — это не капелька, протон — это квантовая система, которая держится в таком виде именно за счет квантовых эффектов. Формально это получается оттого, что энергетический спектр состояний протона не сплошной, а дискретный с огромными зазорами. И вообще возбужденные состояния протона считаются уже не протонами, а другими частицами.
        Ответить
        • ovz > Игорь Иванов | 20.10.2015 | 21:48 Ответить
          Нет. Я понимаю что в квантовом мире все устроено по другому. Возможно я действительно излишне увлекся аналогиями.
          Вопрос скорее звучит так. Можно ли представить кварк-глюонную плазму как квантовую систему, просто гораздо менее устойчивую чем систему из трех кварков.
          Ответить
          • wandarer > ovz | 21.10.2015 | 14:15 Ответить
            Возможно, что никакой кварк-глюонной плазмы вообще нет. А есть бозонное состояние вещества. Так, если предположить, что протон есть связанное состояние Z0-бозона, нейтрино и Пи+ мезона, то энергия связи этой системы будет около 90 Гэв. Поэтому бозонное состояние может проявиться при столкновении двух протонов летящих навстречу друг другу со скоростями ~ 0,97c. Это энергии столкновения частиц с совокупной массой равной примерно 100 массам протона.
            Ответить
            • Игорь Иванов > wandarer | 21.10.2015 | 14:30 Ответить
              Комменты к новостям не являются местом для пропаганеды своих псевдонаучных взглядов. Поскольку вы тут засветились давно, это первое и последнее предупреждение вам.
              Ответить
              • wandarer > Игорь Иванов | 21.10.2015 | 14:47 Ответить
                А дробный электрический заряд научен?
                Ответить
          • Игорь Иванов > ovz | 21.10.2015 | 14:29 Ответить
            Конечно, кварк-глюонная плазма — это многочастичная квантовая система. Из-за того, что она многочастичная, в ней очень плотный, практически непрерывный спектр состояний и коллективные степени свободы.
            Ответить
    • Игорь Иванов > nicolaus | 19.10.2015 | 13:24 Ответить
      1. Это терминологическая придирка. Никто не говорит, что слово «плазма» забито раз и навсегда за газом. Есть еще и плазма крови, например.
      2. Есть какой-то переходной слой. Но поскольку там все происходит в динамике, не надо пытаться его визуализировать наподобие поверхностного натяжения. Точнее, вы можете попытаться ввести такую величину и что-то про нее сказать, но это будет очень модельно-зависимые выводы.
      3. Нет. По той же причине, что молекула воды не является капелькой воды. Там вовсю работают квантовая механика, и притягивать аналогию с классической жидкостью неправильно.
      4. Температура определяется как и во всякой многочастичной системе по заполнению коллективом доступнеых им степеней свободы. Никакая циркуляция не причем, что вы. Остывание — за счет расширения и испарения. При чем тут несжимаемость жидкости? У вас тут совершенно другая система в страшно неравновесном состоянии, аналогии с водой в обычных условиях неуместны.
      Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»