что такое кварк глюонная плазма
Говорят в БАК можно создать температуру 10 триллионов градуса. Но что происходит с этой температурой? Как учёные это измерили? Почему мы всё ещё живы?
Есть такое состояние вещества, называемое Кварк-глюонной плазмой (КГП), которое существует только при чрезвычайно высокой температуре и плотности и описывается в рамках Квантовой ХромоДинамики. Считается, что КГП состоит из асимптотически свободных сильно взаимодействующих кварков и глюонов. Предполагается, что через несколько миллисекунд после Большого взрыва, известного как эпоха кварков, Вселенная находилась в состоянии КГП.
Кварк-глюонная плазма с температурой в 4 триллиона градусов впервые была получена экспериментально в релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC, Брукхейвен, 2005). Максимальную температуру КГП — свыше 10 триллионов градусов, получили в ноябре 2010 года на БАК.
Время существования кварк-глюонной плазмы — миллиардные доли секунды. Она нестабильна. Её невозможно удержать. Радиоактивно распадется на стабильные частицы через адронизацию. Произведённые адроны или их продукты распадов могут быть затем обнаружены и по ним определяются термодинамические параметры КГП в том числе и температура.
Почему мы всё ещё живы? Никакой угрозы и опасности они не представляют из-за ничтожно малого их количества, получаемого на ускорителях. Кроме того, для сравнения, температура кварк-глюонной «жидкости» внутри протона более 10 млрд градусов и это у всех протонов во Вселенной, включая протоны в атомах вашего тела. Пока это никому вреда не принесло в том числе и автору вопроса. Так что можно спать спокойно.
Кварк-глюонная плазма
Кварк-глюонная плазма — компьютерная модель
Кварк-глюонная плазма – состояние вещества, при котором последнее представляет собой набор глюонов, кварков и антикварков. Образование такой плазмы протекает аналогично образованию обычной плазмы.
Атомы обычного вещества в большинстве своем нейтральны, так как заряд их ядра компенсируется электроном, вращающимся вокруг ядра. С повышением температуры атомы ионизируются, то есть электрон получает достаточно энергии, чтобы покинуть свою орбиту, в результате чего имеется отдельно положительно заряженное ядро и отрицательно заряженный электрон. Такое состояние вещества и называется плазмой.
В случае с кварк-глюонной плазмой – компенсируется так называемый «цвет». Цвет – одна из характеристик кварков которые составляют частицу – адрон, и глюонов – которые «склеивают» кварки (являются переносчиками сильного взаимодействия).
Конфайнмент
Комбинация цветных зарядов
Однако, существуют условия, при которых конфайнмент работает иначе. К таким условиям относится сверхнизкая температура или сверхвысокое давление. В случае таких условий волновые функции двух нуклонов (общее название протонов и нейтронов, составляющих ядро атома) перекрываются, говоря простым языком – эти частицы как бы «налезают друг на друга». Вследствие этого кварки перестают различать свои родные нуклоны и начинают свободно перемещаться по всему объему ядра, состоящего из этих нуклонов. Таким образом конфайнмент имеет место, однако объем его «тюремной клетки» в разы увеличивается. Следовательно, чем больше нуклонов соприкасаются и «накладываются», тем больше размер «клетки». Подобное явление может достигать макроскопических масштабов и более.
Существование и получение
Кварк-глюонная плазма возникает в результате «наложения» множества нуклонов друг на друга, вследствие чего кварки свободно перемещаются внутри объема ядра, состоящего из этих нуклонов. Подобная плазма существует в первую очередь в условиях повышенного давления, как например в ядрах нейтронных звезд. Однако, в 2005-м году американским ученым удалось получить кварк-глюонную плазму на коллайдере тяжелых ионов RHIC. На данном ускорителе удалось столкнуть ядра на скорости 99.99% скорости света, в результате столкновения выделилось 20000 ГэВ энергии, было достигнуто давление 10 25 –10 30 атмосферных давлений и температура 10 9 –10 10 К. Позже подобный эксперимент повторили на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНЕ при больших энергиях.
Эксперимент ALICE ЦЕРНа участвует в исследовании кварк-глюонной плазмы
Также, согласно предположениям некоторых космологов, вещество Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва (около 10-11 с) находилось в состоянии кварк-глюонной плазмы, в результате чего после взрыва возникла барионная асимметрия Вселенной.
Что такое кварк глюонная плазма
Введение 3
1. Современные установки по изучению свойств кварк-глюонной плазмы 4
2. Нуклоны, кварки и глюоны 5
3. Ультра-релятивистские столкновения тяжелых ядер. Образование кварк-глюонной плазмы 6
4. Плотность энергии ядерной материи 8
Заключение 10
Список использованных источников 10
Кварк-глюонная плазма — это такое состояние сильно взаимодействующей ядерной материи, в котором отдельные протоны и нейтроны словно растворяются, и составляющие их кварки начинают свободно двигаться по объему. Это состояние ядерного вещества может возникать при достаточно высоком давлении и температуре (примерно 2 трлн градусов). 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.
Экспериментальное изучение кварк-глюонной плазмы 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.
В работе решаются задачи:
Ознакомиться с современными установками по изучению свойств кварк-глюонной плазмы (КГП)
Рассмотреть эксперименты по изучению свойств КГП.
Провести сравнительный расчет скоростей и плотностей энергии ядер, участвующих в ультра-релятивистских столкновениях на современных коллайдерах.
1. Современные установки по изучению свойств кварк-глюонной плазмы
Новое состояние материи – кварк-глюонная плазма – было открыто в 2005 году в экспериментах, где сталкиваются тяжелые ионы. Эксперименты проводились в Брукхейвенской национальной лаборатории в США на ускорителе тяжелых ионов (RHIC).
Детектор, на котором изучается кварк – глюонная плазма – ФЕНИКС. В нем для регистрации ядерных реакций имеются магниты и специальные устройства регистрации треков частиц.
В Европе кварк-глюонную плазму изучают на большом адроном коллайдере в Европейском ядерном центре ЦЕРН (CERN) на детекторе АЛИСА. Здесь на высоких скоростях сталкиваются ядра свинца. 25 ноября 2015 года коллайдер перешел к режиму столкновений ядер свинца при энергии столкновений 2,51 ТэВ в расчете на нуклонную пару.
2. Нуклоны, кварки и глюоны
Современная модель атомного ядра была предложена в 1932 году русским физиком Иваненко и Гейзенбергом, физиком из Германии. Ядро состоит из нуклонов. Нуклоны – это протоны и нейтроны. Протоны положительно заряжены, нейтроны электрически нейтральны.
По современным представлениям протоны и нейтроны состоят из кварков. Кварки не имеют внутренней структуры. Они не состоят из каких-либо других, более мелких частиц. Они – элементарные частицы.
Гипотезу кварков предложил в 1967 г. американский физик-теоретик М. Гелл-Ман. В 1969 году он стал лауреатом Нобелевской премии по физике. К настоящему времени открыто 6 кварков.
Протон состоит из двух u-кваков и одного d-кварка. А нейтрон состоит одного u-квака и двух d-кварков
Частицы, состоящие из кварков, называются адроны. Кварки взаимодействуют, обмениваясь промежуточными частицами, которые называются глюоны.
3. Ультра-релятивистские столкновения тяжелых ядер. Образование кварк-глюонной плазмы
На рисунке схематично показано столкновение ядер. Главная цель таких экспериментов — изучить свойства адронной материи при сверхбольших давлениях и температурах, и в особенности промежуточную фазу в таких столкновениях — кварк-глюонную плазму.
. Рис. 4. Образование кварк-глюонной плазмы в столкновении ядер
На первом рисунке два ядра движутся навстречу друг другу. Из-за высокой скорости, близкой к скорости света, ядра для наблюдателя принимают сплющенную форму. На втором рисунке – начало столкновения. Ядра рассыпаются на протоны и нейтроны. На третьем рисунке рассыпаются протоны и нейтроны на кварки (они изображены красными частицами) и глюоны. Этот момент и есть момент образования кварк-глюонной плазмы. Он длится короткое время. Затем кварки объединяются в частицы – адроны. Этот процесс называется адронизация. И образуются здесь не только протоны и нейтроны, но и другие частицы.
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 КГП ведет себя как жидкость практически с нулевой вязкостью.
Опознать формирование кварк-глюонной плазмы можно разными способами. После распада плазмы на адроны, они должны проявиться в виде адронных эллиптических потоков и потоков более сложной формы.
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). В 2011–2012 годах детектор PHENIX был существенно модернизирован, в него были доустановлены новые компоненты, которые позволили ему 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.
Физики задумались: 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? И вот совсем недавно PHENIX выполнил ключевой эксперимент. В ходе столкновений гелия-3 с ядрами золота на коллайдере RHIC в 2014 году распределение рожденных частиц по азимультальному углу и по поперечному импульсу было измерено с высокой точностью, что позволило надежно выделить компоненты КГП.
Полученное согласие является сильным указанием на то, что в тот момент, когда встречный нуклон вонзается в ядро, он плавит ядерную материю в месте попадания. На мгновение там образуется КГП.
4. Плотность энергии ядерной материи
В таблице приведены массовые числа А, заряд Z, кинетическая энергия Ebeam ядер в столкновениях на коллайдерах RHIC и LHC.
Энергию покоя ядер рассчитаем по приближенной формуле
Результаты расчета собраны в соответствующую колонку таблицы.
Полная энергия движущегося ядра в лабораторной системе отсчета
Кинетическая энергия ядра – это разность полной энергии и энергии покоя:
Из уравнения (1) выражаем γ:
Для всех ядер проведем расчет величины γ и результаты подставим в таблицу.
Теперь по величине γ рассчитаем отношение v/c:
Теперь рассчитаем, как изменяется плотность энергии ядер при их ускорении в коллайдере.
Обозначим R – радиус сферического ядра в лабораторной системе отсчета.
Обозначим плотность энергии неподвижного ядра через ρ0:
При движении ядра в коллайдере со скоростью, близкой к скорости света в вакууме, ядро в лабораторной системе отсчета приобретает форму диска. Диаметр диска равен диаметру сферического ядра. Толщину диска рассчитаем по формуле сокращения длины:
Плотность энергии движущегося ядра – дели полную энергию на объем диска:
Теперь находим отношение плотностей энергии:
В работе рассчитано отношение плотностей энергии для всех ядер в таблице.
В работе приведен краткий обзор современных экспериментов по изучению кварк-глюонной плазмы.
Проведен расчет изменения плотности энергии ядер в ультра-релятивистских столкновениях. Расчет показал, что образование кварк-глюонной плазмы происходит в условиях гигантского возрастания плотности энергии ядерной материи.
Armesto N., Scomparin E. Heavy-ion collisions at the Large Hadron Collider: a review of the results from Run 1..//arXiv:1511.02151v1 [nucl-ex] 6 Nov 2015
Что такое кварк глюонная плазма
Кварк-глюонная плазма
Quark gluon plasma
 Рис. 1. Эволюция Вселенной после Большого взрыва. |
200 МэВ. Экспериментальное наблюдение кварк-глюонной плазмы − одна из приоритетных задач современной ядерной физики. Наиболее перспективным методом получения кварк-глюонной плазмы является соударение релятивистских тяжелых ионов. Образующееся в области столкновения сжатие и нагрев материи могут оказаться достаточными для фазового перехода. Одна из основных проблем − идентификация состояния кварк-глюонной плазмы. Это может быть сделано по аномальному большому выходу лептонных пар и странных частиц, эмиссии фотонов. Трудности идентификации связаны с тем, что, во-первых, существует большой фон за счет событий сильного взаимодействия нуклонов, во-вторых, длительность кварк-глюонной стадии эволюции ядерной системы составляет малую часть общего времени эволюции.
На рис. 2 показана фазовая диаграмма, из которой видно, в области каких давлений и температур можно ожидать образования кварк-глюонной плазмы. На рис. 1 продемонстрирована возможность ее наблюдения на коллайдере релятивистских тяжелых ионов RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) в Брукхейвене (США).
В начале 2000 года в CERN было официально объявлено о том, что новое состояние материи − кварк-глюонная плазма была получена в столкновениях ионов свинца с ионами свинца и золота. Полная энергия сталкивающихся ионов составила
33 ТэВ (для образования кварк-глюонной плазмы необходимо
3.5 ТэВ). Плотность образовавшейся материи превышала плотность ядерной материи (ядерную плотность) приблизительно в 20 раз. В соответствии с предсказаниями теории в момент образования кварк-глюонной плазмы наблюдался повышенный выход странных мезонов, уменьшение выхода тяжелых увеличение выхода фотонов и лептон-антилептонных пар.
Поймать кварк-глюонную плазму
Схема ускорительного комплекса NICA — коллайдера протонов и тяжёлых ионов, строящегося на базе лаборатории физики высоких энергий им. В. И. Векслера и А. М. Балдина Объединённого института ядерных исследований в городе Дубна Московской области. Построенный ранее и обновлённый ускоритель «Нуклотрон» играет для NICA роль предускорителя. Рисунок: Nikita Sidorov / Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0
В городе Дубна Московской области на базе Объединённого института ядерных исследований продолжается строительство нового ускорительного комплекса NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility), основанного на нуклотроне ионного коллайдера. Сталкивая пучки тяжёлых ионов на скоростях, близких к скорости света, исследователи намерены получить горячую и экстремально плотную материю. Условия, создаваемые в ускорителе, будут напоминать первые доли секунд существования Вселенной. Сегодня вещество в похожем состоянии можно обнаружить лишь в ядрах нейтронных звёзд.
На Всероссийской конференции «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», недавно прошедшей в ИКИ РАН, Владимир Дмитриевич Кекелидзе, вице-директор ОИЯИ, отметил, что в области больших энергий уже выполнено много экспериментов, например, на Большом адронном коллайдере, но особенность мегапроекта NICA — достигнуть максимальной плотности вещества, так как данных о материи в таком состоянии пока недостаточно.
Изучение кварк-глюонной плазмы — одна из приоритетных задач мегапроекта NICA. Напомним, протоны и нейтроны (нуклоны) состоят из кварков — мельчайших по современным представлениям фундаментальных частиц. Кварки имеют массу и взаимодействуют между собой с помощью безмассовых короткоживущих глюонов. Получается своеобразный «бульон», где они удерживаются вместе и образуют кварковые системы — составные частицы, которые называют адронами. Протоны и нейтроны — типичные примеры таких кварковых систем.
Интересно, что в обычных условиях разделить кварки между собой не получится. Причиной этому служит явление конфайнмента, которое запрещает кваркам находиться в свободном состоянии. Но есть особое состояние вещества, при котором это правило нарушается, — кварк-глюонная плазма. При значительном увеличении плотности или температуры вещества адроны могут «расплавиться» и образовать непрерывную среду, внутри которой кварки вперемешку с глюонами ведут себя как свободные частицы.
Этого состояния можно достичь, если очень сильно сжать вещество. Тогда нуклоны в нём сблизятся настолько, что кварки перестанут различать «свой» и «чужой» нуклон и начнут свободно перемещаться в пределах всего объёма сжатого вещества. Произойдёт деконфайнмент — явление, обратное конфайнменту. Как этого достичь? Необходимо столкнуть тяжёлые ядра, состоящие из сотен протонов и нейтронов, ускоренных до очень высоких энергий.
Сначала два пучка ионов золота разгоняются до околосветовых скоростей. Когда нужная энергия достигнута, происходит «лобовое» столкновение — два встречных пучка налетают друг на друга. В момент столкновения материя разогревается и сжимается так, что ожидается образование кварк-глюонной плазмы. В дальнейшем она расширяется, охлаждается, происходит адронизация — процесс «слипания» кварков в адроны. Образуется адронный газ — смесь получившихся из кварков частиц, взаимодействующих между собой. Затем адроны перестают взаимодействовать и наступает так называемое кинетическое замерзание, при котором состав и энергии частиц уже не меняются. Помимо адронов, имеющих кварковый состав, в процессе столкновения образуются частицы другого типа — лептоны, которые из кварков не состоят и считаются неделимыми. В итоге детекторы ускорителя регистрируют образовавшиеся продукты столкновения, по которым делается вывод о происходивших процессах.
Для чего исследуются эти процессы? Очень важно получить информацию о фазовом переходе кварк-глюонная плазма — адронный газ. Всем хорошо знаком бытовой пример фазового перехода: кипение жидкости. Вода, закипая в чайнике, переходит из жидкого состояния в газообразное — это и есть фазовый переход. Замерзание льда, плавление металла, конденсация капель на окнах — всё это примеры того же явления. Аналогичные процессы происходят и с кварк-глюонной плазмой, когда она превращается в адронный газ (или наоборот).
У фазовых переходов есть важная характеристика — критическая точка. Это такое соотношение температуры и давления, при котором две фазы находятся в равновесии. Например, вода находится в равновесном состоянии жидкость — пар при температуре 374°C и давлении в 218 раз больше атмосферного. А вот для равновесия кварк-глюонной плазмы с адронным газом такая точка ещё не найдена. Теоретические расчёты подсказывают, что она лежит в области плотностей и температур, в пределах которых будет работать NICA.
Изучение кварк-глюонной плазмы поможет пониманию эволюции нашей Вселенной на ранних этапах. Предполагается, что в первые микросекунды после Большого взрыва вещество было настолько горячим, что огромная энергия не позволяла образоваться составным частицам вроде протона. Поэтому какое-то время Вселенная была заполнена кварк-глюонной плазмой. Если удастся получить более точное представление об этом состоянии, то самые ранние процессы во Вселенной станут понятнее, а значит, удастся «подобраться» ещё ближе к описанию момента Большого взрыва.
Скорее всего, во Вселенной и сейчас есть «лаборатории» по созданию кварк-глюонной плазмы. Жизненный цикл некоторых звёзд предполагает резкое увеличение яркости и выделение большого количества энергии — вспышку сверхновой. В результате образуются маленькие (по космическим меркам!), но невероятно плотные звёзды, которые называются нейтронными. Их массы сопоставимы с солнечной, а радиус составляет около 10–20 км. Считается, что внутри нейтронных звёзд существует ядро из кварк-глюонной плазмы. Изучение условий её возникновения может помочь в описании механизмов образования таких объектов.
Помимо основной задачи проекта — достижения максимальной плотности вещества — есть и другие. К примеру, большой интерес представляет исследование спиновой структуры, которая считается важной квантовой характеристикой частиц. Также на комплексе NICA планируются исследования по материаловедению, медицине, электронике, сверхпроводящей технике и другим дисциплинам.
Новый ускорительный комплекс рассчитывают ввести в эксплуатацию в 2020 году.