Кварк-глюонная плазма

Кварк-глюонная плазма — это агрегатное состояние вещества, в котором адроны (в частности, протоны и нейтроны) распадаются на составляющие их элементарные частицы — кварки и глюоны, находящиеся в состоянии сильного взаимодействия, характерного для ранней Вселенной. В этом состоянии кварки и глюоны не связаны в адроны, а образуют квазисвободную, сильно взаимодействующую среду. Кварк-глюонная плазма является одним из наиболее экстремальных состояний материи, существовавшим в первые микросекунды после Большого взрыва.

История открытия и теоретические предпосылки

Ранние гипотезы

Концепция кварк-глюонной плазмы была впервые предложена в 1970-х годах, когда физики-теоретики, в частности Джон К. Коллинз и М. Дж. Перри, а также советские учёные (например, И. Я. Померанчук), начали рассматривать возможность существования состояния материи, в котором кварки и глюоны не были бы «заперты» внутри адронов. Ключевым теоретическим прорывом стала разработка квантовой хромодинамики (КХД) — теории, описывающей сильное взаимодействие между кварками и глюонами. В рамках КХД было показано, что при высоких температурах и плотностях энергии константа сильного взаимодействия уменьшается, что приводит к так называемому «асимптотическому освобождению» — явлению, при котором кварки и глюоны могут вести себя как почти свободные частицы.

Экспериментальные поиски

Первые серьёзные попытки создать кварк-глюонную плазму в лабораторных условиях были предприняты в 1980-х годах на ускорителях ЦЕРНа (Швейцария) и Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Однако только в 2000-х годах, с запуском коллайдера тяжёлых ионов RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) в Брукхейвене, были получены первые убедительные доказательства существования этого состояния. В 2005 году коллаборация RHIC объявила об открытии «идеальной жидкости» — кварк-глюонной плазмы, которая вела себя не как газ, а как почти идеальная, сверхтекучая жидкость с очень низкой вязкостью. В 2010-х годах эксперименты на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе, в частности в рамках экспериментов ALICE и CMS, подтвердили и углубили эти результаты.

Физические свойства

Кварковое вещество и адронное вещество

В обычном веществе (адронах) кварки связаны между собой глюонными полями, что приводит к конфайнменту — явлению, при котором кварки никогда не наблюдаются в свободном виде. При температурах выше критической (около 2 триллионов кельвинов, или 200 МэВ) и плотностях энергии, превышающих 1 ГэВ/фм³, конфайнмент исчезает, и кварки с глюонами образуют единую, сильно взаимодействующую среду. Это состояние характеризуется:

• Коллективным поведением: частицы в плазме движутся согласованно, что приводит к гидродинамическим эффектам, таким как поток.
• Низкой вязкостью: кварк-глюонная плазма демонстрирует почти идеальное течение (отношение сдвиговой вязкости к энтропии близко к минимально возможному квантовому пределу).
• Высокой температурой: температура плазмы в лабораторных условиях достигает 4–5 триллионов кельвинов, что в сотни тысяч раз горячее, чем в центре Солнца.

Фазовый переход

Переход между адронным веществом и кварк-глюонной плазмой является фазовым переходом первого рода при низких плотностях и кроссовером (непрерывным переходом) при высоких температурах. При температурах, близких к критической, происходит резкое изменение плотности энергии и энтропии. В ранней Вселенной, по мере её расширения и охлаждения, кварк-глюонная плазма конденсировалась в адроны, что привело к образованию протонов и нейтронов.

Экспериментальное получение

Методы создания

Кварк-глюонную плазму получают в лабораторных условиях путём столкновения тяжёлых ионов (например, ядер золота, свинца или урана) с релятивистскими скоростями. В таких столкновениях кинетическая энергия ионов преобразуется в тепловую, создавая на короткое время (около 10⁻²³ секунды) область с экстремально высокой плотностью энергии. Основные установки:

• RHIC (Брукхейвен, США): столкновения ионов золота при энергиях до 200 ГэВ на нуклон.
• БАК (ЦЕРН, Швейцария): столкновения ионов свинца при энергиях до 2,76 ТэВ на нуклон (в 2010–2013 годах) и до 5,02 ТэВ на нуклон (с 2015 года).
• NICA (Объединённый институт ядерных исследований, Дубна, Россия): проект коллайдера тяжёлых ионов, запуск которого ожидается в 2020-х годах, ориентированный на изучение фазовой диаграммы КХД при высоких плотностях.

Детектирование

Кварк-глюонная плазма не может быть зафиксирована напрямую, так как она существует лишь в течение короткого времени. Её существование подтверждается косвенными признаками:

• Струи частиц: при прохождении через плазму высокоэнергетические кварки и глюоны теряют энергию, что приводит к подавлению (джет-квенчингу) струй адронов.
• Поток частиц: анизотропия в распределении частиц (эллиптический поток) указывает на коллективное движение среды.
• Странные частицы: повышенный выход странных кварков (например, гиперонов) свидетельствует о термализации кварков.
• Фотоны и лептоны: электромагнитные излучения (фотоны, дилептоны) проходят через плазму без взаимодействия, неся информацию о её температуре.

Применение и значение

Космология

Кварк-глюонная плазма является ключевым объектом для понимания ранней Вселенной. Согласно стандартной космологической модели, через 10⁻⁶–10⁻⁵ секунд после Большого взрыва Вселенная находилась в состоянии кварк-глюонной плазмы. Изучение её свойств позволяет уточнить модели фазовых переходов в ранней Вселенной, а также понять, как формировались первые адроны и, в конечном итоге, атомные ядра.

Физика высоких энергий

Исследования кварк-глюонной плазмы углубляют понимание квантовой хромодинамики, особенно в режиме сильного взаимодействия. Они помогают тестировать предсказания решёточной КХД и гидродинамических моделей. Кроме того, плазма служит лабораторией для изучения свойств материи в условиях, недостижимых в других экспериментах.

Технологические перспективы

Хотя прямых технологических применений кварк-глюонной плазмы в настоящее время нет, разработка методов её создания и детектирования стимулирует развитие ускорительной техники, детекторов частиц и вычислительных методов. Например, технологии, разработанные для экспериментов на БАК, используются в медицинской диагностике (позитронно-эмиссионная томография) и материаловедении.

Критика и нерешённые вопросы

Термализация и равновесие

Одним из главных вопросов является то, как кварк-глюонная плазма достигает термального равновесия за столь короткое время (менее 10⁻²³ секунды). Теоретические модели, основанные на квантовой хромодинамике, предсказывают, что процесс термализации может быть связан с сильными квантовыми флуктуациями, но точный механизм остаётся предметом дискуссий.

Идеальная жидкость

Наблюдаемая низкая вязкость кварк-глюонной плазмы противоречит первоначальным ожиданиям, что она должна вести себя как газ слабо взаимодействующих частиц. Это привело к пересмотру моделей сильного взаимодействия при высоких температурах. Некоторые исследователи предполагают, что плазма может быть «квантовой жидкостью» с уникальными свойствами, которые не описываются стандартной гидродинамикой.

Границы фазового перехода

Точная форма фазовой диаграммы КХД при высоких плотностях (например, в нейтронных звёздах) остаётся неизвестной. Эксперименты на NICA и других установках (например, FAIR в Германии) направлены на изучение области высоких плотностей, где возможно существование других фаз, таких как цветная сверхпроводимость.

Источники

1. Adams, J. et al. (2005). «Experimental and theoretical challenges in the search for the quark–gluon plasma: The STAR Collaboration's critical assessment of the evidence from RHIC collisions». Nuclear Physics A, 757(1-2), 102–183.
2. Aamodt, K. et al. (ALICE Collaboration) (2010). «Elliptic flow of charged particles in Pb-Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV». Physical Review Letters, 105(25), 252302.
3. Shuryak, E. V. (2009). «Physics of strongly coupled quark-gluon plasma». Progress in Particle and Nuclear Physics, 62(1), 48–101.
4. Gyulassy, M., & McLerran, L. (2005). «New forms of QCD matter discovered at RHIC». Nuclear Physics A, 750(1), 30–63.
5. Григорьев, В. А. (2019). «Кварк-глюонная плазма: от теории к эксперименту». Успехи физических наук, 189(6), 609–640.