Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Кварковая материя или вещество КХД ( квантовая хромодинамика ) относится к любой из множества гипотетических фаз материи, чьи степени свободы включают кварки и глюоны , ярким примером которых является кварк-глюонная плазма . [1] Этой теме посвящено несколько серий конференций в 2019, 2020 и 2021 годах. [2] [3] [4]

Кварки высвобождаются в кварковую материю при чрезвычайно высоких температурах и / или плотностях, и некоторые из них все еще являются только теоретическими, поскольку для них требуются настолько экстремальные условия, что их невозможно получить ни в одной лаборатории, особенно в условиях равновесия. В этих экстремальных условиях привычная структура материи , где основными составляющими являются ядра (состоящие из нуклонов, которые являются связанными состояниями кварков) и электроны, нарушается. В кварковой материи более целесообразно рассматривать сами кварки как основные степени свободы.

В стандартной модели физики элементарных частиц сильное взаимодействие описывается теорией КХД . При обычных температурах или плотностях эта сила просто ограничивает кварки составными частицами ( адронами ) размером около 10 −15  м = 1  фемтометр = 1 фм (соответствует энергетическому масштабу КХД Λ QCD  ≈ 200  МэВ ), и ее эффекты не заметны при на большие расстояния.

Однако, когда температура достигает энергетического масштаба КХД ( T порядка 10 12  кельвинов ) или плотность возрастает до точки, где среднее межкварковое расстояние составляет менее 1 фм ( химический потенциал кварков μ около 400 МэВ), адроны становятся плавятся на составляющие их кварки, и сильное взаимодействие становится доминирующей чертой физики. Такие фазы называются кварковой материей или веществом КХД.

Сила цветовой силы делает свойства кварковой материи непохожими на газ или плазму, вместо этого приводя к состоянию вещества, более напоминающему жидкость. При высоких плотностях кварковая материя является ферми-жидкостью , но предсказывается, что она проявляет цветную сверхпроводимость при высоких плотностях и температурах ниже 10 12 К.

Нерешенная проблема в физике :

КХД в непертурбативном режиме: кварковая материя . Уравнения КХД предсказывают, что море кварков и глюонов должно образоваться при высокой температуре и плотности. Каковы свойства этой фазы материи ?

(больше нерешенных задач по физике)

Возникновение [ править ]

Естественное явление [ править ]

  • Согласно теории Большого взрыва , в ранней Вселенной при высоких температурах, когда возраст Вселенной составлял всего несколько десятков микросекунд, фаза материи приняла форму горячей фазы кварковой материи, называемой кварк-глюонной плазмой (КГП). [5]
  • Компактные звезды ( нейтронные звезды ). Нейтронная звезда намного холоднее, чем 10 12 К, но гравитационный коллапс сжал ее до такой высокой плотности, что разумно предположить, что кварковая материя может существовать в ядре. [6] Компактные звезды, состоящие в основном или полностью из кварковой материи, называются кварковыми звездами или странными звездами .
  • ОТК вещество может существовать в пределах коллапсара о наличии гамма-всплеска , где температура выше , чем 6,7 × 10 13 K может быть сгенерирован.

В настоящее время не наблюдалось ни одной звезды со свойствами, ожидаемыми от этих объектов, хотя были получены некоторые свидетельства существования кварковой материи в ядрах крупных нейтронных звезд. [7]

  • Странджлеты . Это теоретически постулируемые (но пока не наблюдаемые) сгустки странной материи, состоящие примерно из равного количества верхних, нижних и странных кварков. Странджлеты должны присутствовать в галактическом потоке частиц высоких энергий и, следовательно, теоретически должны быть обнаружены в космических лучах здесь, на Земле, но ни одного страннджлета с уверенностью не обнаружено. [8] [9]
  • Космические лучи . Космические лучи состоят из множества различных частиц, включая сильно ускоренные атомные ядра, в частности, ядра железа .

Лабораторные эксперименты показывают, что неизбежное взаимодействие с ядрами тяжелых благородных газов в верхней атмосфере приведет к образованию кварк-глюонной плазмы.

  • Кварковая материя с барионным числом более 300 может быть более стабильной, чем ядерная материя. Эта форма барионной материи могла бы сформировать континент стабильности . [10]

Лабораторные эксперименты [ править ]

Траектории обломков частиц от одного из первых столкновений ионов свинца с LHC, зарегистрированные детектором ALICE . Чрезвычайно кратковременное появление кварковой материи в точке столкновения следует из статистики траекторий.

Несмотря на то, что кварк-глюонная плазма может возникать только при весьма экстремальных условиях температуры и / или давления, она активно изучается на коллайдерах частиц , таких как Большой адронный коллайдер LHC в ЦЕРНе и коллайдер релятивистских тяжелых ионов RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории .

В этих столкновениях плазма существует только очень короткое время, прежде чем она самопроизвольно распадается. Физические характеристики плазмы изучаются путем обнаружения обломков, исходящих из области столкновения, с помощью детекторов крупных частиц [11] [12]

Столкновения тяжелых ионов при очень высоких энергиях могут привести к образованию небольших короткоживущих областей пространства, плотность энергии которых сопоставима с плотностью энергии Вселенной возрастом 20 микросекунд . Это было достигнуто путем столкновения тяжелых ядер , таких как свинец ядер при высоких скоростях, и первый раз претензия формирования КГПА пришел из SPS ускорителя в CERN в феврале 2000 года [13]

Эта работа была продолжена на более мощных ускорителях, таких как RHIC в США, а с 2010 г. - на Европейском LHC в ЦЕРНе, расположенном на границе Швейцарии и Франции. Есть веские доказательства того, что кварк-глюонная плазма также была создана на RHIC. [14]

Термодинамика [ править ]

Контекстом для понимания термодинамики кварковой материи является стандартная модель физики элементарных частиц, которая содержит шесть различных разновидностей кварков, а также лептоны, такие как электроны и нейтрино . Они взаимодействуют посредством сильного взаимодействия , электромагнетизма , а также слабого взаимодействия, которое позволяет одному аромату кварка превращаться в другой. Электромагнитные взаимодействия происходят между частицами, несущими электрический заряд; сильные взаимодействия происходят между частицами, несущими цветной заряд .

Правильная термодинамическая обработка кварковой материи зависит от физического контекста. Для больших величин, которые существуют в течение длительных периодов времени («термодинамический предел»), мы должны учитывать тот факт, что единственными сохраняющимися зарядами в стандартной модели являются кварковое число (эквивалентное барионному числу), электрический заряд, восьмерка цветов. заряды и лептонное число. Каждый из них может иметь связанный химический потенциал. Однако большие объемы вещества должны быть электрически и нейтральными по цвету, что определяет химические потенциалы электрического и цветового заряда. В результате остается трехмерное фазовое пространство , параметризованное химическим потенциалом кварков, химическим потенциалом лептонов и температурой.

В компактных звездах кварковая материя занимает кубические километры и существует миллионы лет, поэтому термодинамический предел подходит. Однако нейтрино ускользают, нарушая лептонное число, поэтому фазовое пространство кварковой материи в компактных звездах имеет только два измерения: температуру ( T ) и химический потенциал кваркового числа μ. Страпелька не в термодинамическом пределе большого объема, так как экзотические ядра: он может нести электрический заряд.

Столкновение тяжелых ионов не находится в термодинамическом пределе больших объемов или больших времен. Если оставить в стороне вопросы о том, достаточно ли он уравновешен для применения термодинамики, определенно не хватает времени для возникновения слабых взаимодействий, поэтому аромат сохраняется, и существуют независимые химические потенциалы для всех шести кварковых ароматов. Начальные условия ( прицельный параметр столкновения, количество верхних и нижних кварков в сталкивающихся ядрах и тот факт, что они не содержат кварков других сортов) определяют химические потенциалы. (Ссылка на этот раздел:, [15] [16] ).

Фазовая диаграмма [ править ]

Высказано предположение , вид фазовой диаграммы КХД материи, с температурой на вертикальной оси и кварк химический потенциал на горизонтальной оси, как в мега- электрон - вольт . [15]

Фазовой диаграммы кварковой материи не очень хорошо известно, экспериментально или теоретически. Обычно предполагаемый вид фазовой диаграммы показан на рисунке справа. [15] Это применимо к материи в компактной звезде, где единственными релевантными термодинамическими потенциалами являются химический потенциал кварков μ и температура T.

В качестве руководства он также показывает типичные значения μ и T в столкновениях тяжелых ионов и в ранней Вселенной. Читателям, не знакомым с концепцией химического потенциала, полезно думать о μ как о мере дисбаланса между кварками и антикварками в системе. Более высокое значение μ означает более сильное смещение в пользу кварков по сравнению с антикварками. При низких температурах нет антикварков, и тогда более высокое значение μ обычно означает более высокую плотность кварков.

Обычная атомная материя, как мы знаем, на самом деле представляет собой смешанную фазу, капли ядерной материи (ядра), окруженные вакуумом, который существует на низкотемпературной фазовой границе между вакуумом и ядерной материей, при μ = 310 МэВ и T, близком к нулю. Если мы увеличиваем плотность кварков (т.е. увеличиваем μ), сохраняя низкую температуру, мы переходим в фазу все более и более сжатого ядерного вещества. Следование по этому пути соответствует все более глубокому проникновению в нейтронную звезду .

В конце концов, при неизвестном критическом значении μ происходит переход к кварковой материи. При сверхвысоких плотностях мы ожидаем найти фазу цветовой фиксации аромата (CFL) в цветном сверхпроводящем кварковом веществе. При промежуточных плотностях мы ожидаем наличие других фаз (обозначенных на рисунке как «кварковая жидкость без CFL»), природа которых в настоящее время неизвестна. [15] [16] Это могут быть другие формы цветного сверхпроводящего кваркового вещества или что-то другое.

Теперь представьте, что мы начинаем с левого нижнего угла фазовой диаграммы, в вакууме, где μ =  T  = 0. Если мы нагреем систему, не отдавая предпочтения кваркам перед антикварками, это соответствует движению вертикально вверх вдоль оси T. Сначала кварки все еще ограничены, и мы создаем газ из адронов (в основном пионов ). Затем около T = 150 МэВ происходит переход к кварк-глюонной плазме: тепловые флуктуации разрушают пионы, и мы находим газ кварков, антикварков и глюонов, а также более легких частиц, таких как фотоны, электроны, позитроны и т. Д. Путь соответствует путешествию в далекое прошлое (так сказать), к состоянию Вселенной вскоре после Большого взрыва (где кварки отдавали предпочтение антикваркам).

Линия, которая поднимается вверх от перехода ядерное вещество / кварк, а затем изгибается обратно к оси T , с концом, отмеченным звездой, является предполагаемой границей между ограниченной и неограниченной фазами. До недавнего времени считалось, что это граница между фазами, в которых хиральная симметрия нарушена (низкая температура и плотность), и фазами, где она не нарушена (высокая температура и плотность). Теперь известно, что фаза CFL демонстрирует нарушение киральной симметрии, а другие фазы кварковой материи также могут нарушать киральную симметрию, поэтому неясно, действительно ли это линия кирального перехода. Линия заканчивается в «киральной критической точке », отмеченной звездой на этом рисунке, которая представляет собой особую температуру и плотность, при которых происходят поразительные физические явления, аналогичныекритическая опалесценция . (Ссылка на этот раздел:, [15] [16] [17] ).

Для полного описания фазовой диаграммы требуется, чтобы человек имел полное представление о плотной, сильно взаимодействующей адронной материи и сильно взаимодействующей кварковой материи из некоторой основной теории, например, квантовой хромодинамики (КХД). Однако, поскольку такое описание требует правильного понимания КХД в ее непертурбативном режиме, который еще далек от полного понимания, любое теоретическое продвижение остается очень сложным.

Теоретические задачи: методы расчета [ править ]

Фазовая структура кварковой материи остается в основном предположительной, потому что трудно проводить вычисления, предсказывающие свойства кварковой материи. Причина в том, что КХД, теория, описывающая доминирующее взаимодействие между кварками, сильно связана при плотностях и температурах, представляющих наибольший физический интерес, и поэтому на ее основе очень трудно получить какие-либо предсказания. Вот краткое описание некоторых стандартных подходов.

Калибровочная теория на решетке [ править ]

Единственный доступный в настоящее время расчетный инструмент из первых принципов - это решеточная КХД , то есть компьютерные вычисления методом грубой силы. Из-за технического препятствия, известного как проблема знака фермиона , этот метод можно использовать только при низкой плотности и высокой температуре (μ <  T ), и он предсказывает, что переход в кварк-глюонную плазму произойдет около T  = 150 МэВ [ 18] Однако его нельзя использовать для исследования интересной структуры цветной сверхпроводящей фазы при высокой плотности и низкой температуре. [19]

Теория слабой связи [ править ]

Поскольку КХД асимптотически свободна, она становится слабосвязанной при нереально высоких плотностях, и можно использовать диаграммные методы. [16] Такие методы показывают, что фаза CFL имеет очень высокую плотность. Однако при высоких температурах схематические методы все еще не находятся под полным контролем.

Модели [ править ]

Чтобы получить приблизительное представление о том, какие фазы могут произойти, можно использовать модель, которая имеет некоторые из тех же свойств, что и КХД, но которой легче манипулировать. Многие физики используют модели Намбу-Йона-Лазинио , которые не содержат глюонов и заменяют сильное взаимодействие взаимодействием с четырьмя фермионами . Для анализа фаз обычно используются методы среднего поля. Другой подход - это модель мешка , в которой эффекты ограничения моделируются аддитивной плотностью энергии, которая отрицательно сказывается на неограниченной кварковой материи.

Эффективные теории [ править ]

Многие физики просто отказываются от микроскопического подхода и делают обоснованные предположения об ожидаемых фазах (возможно, на основе результатов модели NJL). Затем для каждой фазы они записывают эффективную теорию низкоэнергетических возбуждений с точки зрения небольшого числа параметров и используют ее для прогнозов, которые позволят зафиксировать эти параметры экспериментальными наблюдениями. [17]

Другие подходы [ править ]

Основная статья: AdS / QCD

Есть и другие методы, которые иногда используются, чтобы пролить свет на КХД, но по разным причинам еще не дали полезных результатов при изучении кварковой материи.

1 / N расширение [ править ]

Treat количество цветов N , который на самом деле 3, в большом количестве, а также расширить по степеням 1 / N . Оказывается, что при высокой плотности поправки высшего порядка велики, и разложение дает неверные результаты. [15]

Суперсимметрия [ править ]

Добавление в теорию скалярных кварков (скварков) и фермионных глюонов (глюонов) делает ее более управляемой, но термодинамика кварковой материи решающим образом зависит от того факта, что только фермионы могут нести кварковое число, и от числа степеней свободы в целом.

Экспериментальные задачи [ править ]

Экспериментально трудно отобразить фазовую диаграмму кварковой материи, потому что было довольно сложно научиться настраиваться на достаточно высокие температуры и плотность в лабораторных экспериментах, используя столкновения релятивистских тяжелых ионов в качестве экспериментальных инструментов. Однако эти столкновения в конечном итоге предоставят информацию о переходе от адронной материи к QGP. Было высказано предположение, что наблюдения компактных звезд могут также ограничивать информацию об области высокой плотности и низких температур. Модели охлаждения, замедления и прецессии этих звезд предлагают информацию о соответствующих свойствах их внутренней части. По мере того, как наблюдения становятся более точными, физики надеются узнать больше. [15]

Одна из естественных тем для будущих исследований - поиск точного местоположения хиральной критической точки. Некоторые амбициозные расчеты КХД на решетке могли найти этому подтверждение, и будущие расчеты прояснят ситуацию. Столкновения тяжелых ионов могут позволить экспериментально измерить его положение, но для этого потребуется сканирование в диапазоне значений μ и T. [20]

Доказательства [ править ]

В 2020 году были представлены доказательства того, что ядра нейтронных звезд с массой ~ 2 M ⊙, вероятно, состоят из кварковой материи. [7] [21] Их результат был основан на приливной деформируемости нейтронной звезды во время слияния нейтронных звезд, измеренной гравитационно-волновыми обсерваториями , что привело к оценке радиуса звезды в сочетании с расчетами уравнения состояния, связывающего давление и энергию. плотность ядра звезды. Доказательства были убедительными, но не окончательно доказали существование кварковой материи.

См. Также [ править ]

  • Блокировка цвета и вкуса
  • Решетка КХД
  • Квантовая хромодинамика  - Теория сильных ядерных взаимодействий
  • Кварк-глюонная плазма  - фаза квантовой хромодинамики (КХД)
  • Кварковая звезда  - компактная экзотическая звезда, которая образует материю, состоящую в основном из кварков.
  • SU (2) цветная сверхпроводимость
  • Странная материя  - вырожденная материя из странных кварков.
  • Странность и кварк-глюонная плазма
  • 1 / N разложение  - пертурбативный анализ квантовых теорий поля

Источники и дополнительная литература [ править ]

  • Аронсон, С. и Лудлам, Т .: "Охота на кварк-глюонную плазму" , Департамент энергетики США (2005).
  • Летесье, Жан: Адроны и кварк-глюонная плазма , Кембриджские монографии по физике элементарных частиц, ядерной физике и космологии (том 18), Cambridge University Press (2002)
  • С. Хендс (2001). «Фазовая диаграмма КХД». Современная физика . 42 (4): 209–225. arXiv : физика / 0105022 . Bibcode : 2001ConPh..42..209H . DOI : 10.1080 / 00107510110063843 . S2CID  16835076 .
  • К. Раджагопал (2001). «Освободите кварки» (PDF) . Линия луча . 32 (2): 9–15.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Летесье, Жан; Рафельский, Иоганн (2002). Адроны и кварк-глюонная плазма (1-е изд.). Издательство Кембриджского университета. DOI : 10,1017 / cbo9780511534997 . ISBN 978-0-521-38536-7.
  2. ^ "Quark Matter 2021: 29-я международная конференция по ультрарелятивистским ядерно-ядерным столкновениям" . Индико . Проверено 26 июня 2020 .
  3. ^ "CPOD2020 - Международная конференция по критической точке и началу деконфайнмента" . Индико . Проверено 26 июня 2020 .
  4. ^ «Странность в кварковой материи 2019» . Индико . Проверено 26 июня 2020 .
  5. ^ См., Например, «Адроны и кварк-глюонная плазма» .
  6. ^ Шапиро и Teukolsky: Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды: физика компактных объектов , Wiley 2008
  7. ^ a b Аннала, Эмели; Горда, Тайлер; Куркела, Алекси; Наттила, Йоонас; Вуоринен, Алекси (01.06.2020). «Доказательства ядер кварковой материи в массивных нейтронных звездах» . Физика природы . 16 (9): 907–910. DOI : 10.1038 / s41567-020-0914-9 . ISSN 1745-2481 . 
  8. ^ Бисвас, Саяны; и другие. (2016). «Сценарий производства галактических странников и оценка их возможного потока в окрестности Солнца» . Ход работы: Сценарий производства галактических странников и оценка их возможного потока в окрестностях Солнца . МККК2015. вдохновлять. п. 504. DOI : 10,22323 / 1.236.0504 . Проверено 11 октября +2016 .
  9. ↑ Мэдсен, Джес (18 ноября 2004 г.). «Странджлет и поток космических лучей». Phys. Rev. D . 71 (1): 014026. arXiv : astro-ph / 0411538 . Bibcode : 2005PhRvD..71a4026M . DOI : 10.1103 / PhysRevD.71.014026 . S2CID 119485839 . 
  10. ^ Холдом, Боб; Рен, Цзин; Чжан, Чен (31 мая 2018 г.). «Кварковая материя не может быть странной». Письма с физическим обзором . 120 (22): 222001. arXiv : 1707.06610 . Bibcode : 2018PhRvL.120v2001H . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.120.222001 . PMID 29906186 . S2CID 49216916 .  
  11. ^ "АЛИСА" . ЦЕРН . Проверено 16 декабря 2015 .
  12. ^ См. «Охота на кварк-глюоановую плазму» в качестве примера исследования RHIC.
  13. ^ Хайнц, Ульрих; Джейкоб, Морис (2000). «Свидетельства нового состояния материи: оценка результатов программы CERN Lead Beam». arXiv : nucl-th / 0002042 .
  14. ^ Хайнц, Ульрих; Джейкоб, Морис (2005). «Quark Matter 2005 - Теоретическое заключение». arXiv : nucl-th / 0508062 .
  15. ^ a b c d e f г Олфорд, Марк Дж .; Шмитт, Андреас; Раджагопал, Кришна; Шефер, Томас (2008). «Цветная сверхпроводимость в плотной кварковой материи». Обзоры современной физики . 80 (4): 1455–1515. arXiv : 0709.4635 . Bibcode : 2008RvMP ... 80.1455A . DOI : 10.1103 / RevModPhys.80.1455 . S2CID 14117263 . 
  16. ^ а б в г Ришке, Д. (2004). «Кварк-глюонная плазма в равновесии». Прогресс в физике элементарных частиц и ядерной физике . 52 (1): 197–296. arXiv : nucl-th / 0305030 . Bibcode : 2004PrPNP..52..197R . CiteSeerX 10.1.1.265.4175 . DOI : 10.1016 / j.ppnp.2003.09.002 . S2CID 119081533 .  
  17. ^ а б Т. Шефер (2004). «Кварковая материя». В AB Santra (ред.). Мезоны и кварки . 14-я Национальная летняя школа по ядерной физике. Alpha Science International. arXiv : hep-ph / 0304281 . Bibcode : 2003hep.ph .... 4281S . ISBN 978-81-7319-589-1.
  18. ^ П. Петрецкий (2012). «Решеточная КХД при ненулевой температуре». J. Phys. G . 39 (9): 093002. arXiv : 1203.5320 . Bibcode : 2012JPhG ... 39i3002P . DOI : 10.1088 / 0954-3899 / 39/9/093002 . S2CID 119193093 . 
  19. ^ Кристиан Шмидт (2006). «Решеточная КХД при конечной плотности». PoS LAT2006 . 2006 (21): 021. arXiv : hep-lat / 0610116 . Bibcode : 2006slft.confE..21S .
  20. ^ Rajagopal, K (1999). «Отображение фазовой диаграммы КХД». Ядерная физика . 661 (1–4): 150–161. arXiv : hep-ph / 9908360 . Bibcode : 1999NuPhA.661..150R . DOI : 10.1016 / S0375-9474 (99) 85017-9 . S2CID 15893165 . 
  21. ^ "Новый тип материи обнаружен внутри нейтронных звезд" . ScienceDaily . Проверено 1 июня 2020 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Виртуальный журнал по вопросам КХД
  • RHIC находит экзотическое антивещество