Кіріспе
Заттың гипотетикалық фазалары
Кварк материясы немесе QCD материясы (кванттық хромодинамика) – кварктар мен глюондарды еркіндік дәрежесі ретінде қамтитын материяның гипотетикалық фазаларының кез келгені. Кварк-глюон плазмасы осының көрнекті мысалы. 2019, 2020 және 2021 жылдары бірнеше конференция осы тақырыпқа арналды. Кварктар өте жоғары температурада және/немесе тығыздықта кварк материясына босатылады, ал олардың кейбіреулері әлі де теориялық болып табылады, себебі олардың пайда болуы үшін өте экстремалды жағдайлар қажет, сондықтан оларды ешқандай зертханада, әсіресе тепе-теңдік жағдайында өндіру мүмкін емес. Осы экстремалды жағдайларда, негізгі құрамдас бөліктері нуклеондар (кварктардың байланысқан күйлері) мен электрондардан тұратын, материяның таныс құрылымы бұзылады. Кварк материясында кварктерді еркіндіктің негізгі дәрежесі ретінде қарастыру дұрыс. Бөлшектер физикасының стандартты моделінде күшті күш QCD теориясымен сипатталады. Қалыпты температурада немесе тығыздықта бұл күш кварктарды шамамен 10−15 м = 1 фемтометр = 1 фм (QCD энергия шкаласына сәйкес ΛQCD ≈ 200 МэВ) көлеміндегі композиттік бөлшектерге (хадрондарға) шектейді және оның әсерлері ұзақ қашықтықта байқалмайды. Бірақ, температура QCD энергия шкаласына жеткенде (T шамамен 1012 кельвин) немесе тығыздық орташа кварк аралық қашықтығы 1 фм-ден азайғанда (кварк химиялық потенциалы μ шамамен 400 МэВ), хадрондар құрамдас кварктарына ыдырайды, ал күшті өзара әрекеттесу физиканың басым ерекшелігіне айналады. Мұндай фазалар кварк материясы немесе QCD материясы деп аталады. Түс күшінің күші кварк материясының қасиеттерін газ бен плазмадан ерекшелендіреді, нәтижесінде сұйықтыққа ұқсас күй пайда болады. Жоғары тығыздықта кварк материясы Ферми сұйықтығы болып табылады, бірақ жоғары тығыздықта және 1012 К-тен төмен температурада түсті суперөткізгіштікке ие болуы мүмкін деп болжанады.
Quark matter or QCD matter (quantum chromodynamic) refers to any of a number of hypothetical phases of matter whose degrees of freedom include quarks and gluons, of which the prominent example is quark gluon plasma. Several series of conferences in 2019, 2020, and 2021 were devoted to this topic. Quarks are liberated into quark matter at extremely high temperatures and/or densities, and some of them are still only theoretical as they require conditions so extreme that they cannot be produced in any laboratory, especially not at equilibrium conditions. Under these extreme conditions, the familiar structure of matter, where the basic constituents are nuclei (consisting of nucleons which are bound states of quarks) and electrons, is disrupted. In quark matter it is more appropriate to treat the quarks themselves as the basic degrees of freedom. In the standard model of particle physics, the strong force is described by the theory of QCD. At ordinary temperatures or densities this force just confines the quarks into composite particles (hadrons) of size around 10−15 m = 1 femtometer = 1 fm (corresponding to the QCD energy scale ΛQCD ≈ 200 MeV) and its effects are not noticeable at longer distances. However, when the temperature reaches the QCD energy scale (T of order 1012 kelvins) or the density rises to the point where the average inter quark separation is less than 1 fm (quark chemical potential μ around 400 MeV), the hadrons are melted into their constituent quarks, and the strong interaction becomes the dominant feature of the physics. Such phases are called quark matter or QCD matter. The strength of the color force makes the properties of quark matter unlike gas or plasma, instead leading to a state of matter more reminiscent of a liquid. At high densities, quark matter is a Fermi liquid, but is predicted to exhibit color superconductivity at high densities and temperatures below 1012 K.
Табиғи пайда болуы
Үлкен жарылыс теориясына сәйкес, жоғары температурадағы ғаламның алғашқы кезеңінде, ғаламның жасы тек бірнеше ондаған микросекунд болған кезде, материя фазасы кварк материясының ыстық фазасы түрінде, кварк-глюон плазмасы (QGP) деп аталады. Тығыз жұлдыздар (нейтрон жұлдыздар). Нейтрон жұлдызы 1012 К-ден әлдеқайда суық, бірақ гравитациялық күштің әсерінен ол соншалықты жоғары тығыздыққа қысылған, сондықтан ядросында кварк материясы болуы мүмкін деп болжау орынды. Көбінесе немесе толығымен кварк материясынан тұратын тығыз жұлдыздар кварк жұлдыздары немесе ерекше жұлдыздар деп аталады. QCD материясы гамма сәулесінің жарылысының коллапсарында болуы мүмкін, онда 6,7 × 1013 К дейін жоғары температура пайда болуы мүмкін. Қазіргі уақытта осы нысандардың күтілетін қасиеттері бар жұлдыз байқалған жоқ, дегенмен ірі нейтрон жұлдыздарының ядросында кварк материясының болуына кейбір дәлелдер келтірілген. Странглетарлар. Бұл – теориялық тұрғыдан болжалданған (бірақ әлі күнге дейін байқалмаған) таңғажайып материяның іріктері, олар шамамен тең мөлшерде жоғары, төмен және таңғажайып кварктардан тұрады. Странглетарлар галактикалық жоғары энергиялы бөлшектер ағынында болуы керек, сондықтан теориялық тұрғыдан ғарыш сәулелерінде Жерде анықталуы мүмкін, бірақ ешқандай странглетар анықталған жоқ. Ғарыш сәулелерінің әсері. Ғарыш сәулелері әр түрлі бөлшектерден, соның ішінде өте үдемел атом ядроларынан, әсіресе темірден тұрады. Зертханалық тәжірибелер көрсетіп тұрғандай, жоғары атмосферадағы ауыр инертті газ ядроларымен болатын әрекеттесу кварк-глюон плазмасының пайда болуына әкелуі мүмкін. 300-ден жоғары бариондық саны бар кварк материясы ядролық материядан гөрі тұрақты болуы мүмкін. Бұл бариондық материяның түрі тұрақтылықтың континентін құруы мүмкін.
Зертханалық тәжірибелер
Кварк-глюондық плазма температураның және/немесе қысымның өте экстремалды жағдайларында ғана пайда бола алатындықтан, ол CERN-дегі Үлкен адрондық коллайдер LHC және Брукхейвен ұлттық зертханасындағы Релятивистік ауыр иондық коллайдер RHIC сияқты бөлшектер коллайдерлерінде белсенді түрде зерттеледі. Осы соқтығыстарда плазма өздігінен ыдырап кетуге дейін өте қысқа мерзімге ғана пайда болады. Плазманың физикалық қасиеттері ірі бөлшектер детекторы арқылы соқтығысу аймағынан шығатын қалдықтарды анықтау арқылы зерттеледі.
Өте жоғары энергиядағы ауыр иондардың соқтығысуы 20 микросекундық ғаламның энергия тығыздығымен салыстырылатын, кеңістіктің шағын, қысқа өмір сүретін аймақтарын тудыруы мүмкін. Бұл, мысалы, қорғасын ядролары сияқты ауыр ядроларды жоғары жылдамдықпен соқтығыстыру арқылы жүзеге асырылды, ал кварк-глюондық плазманың пайда болуы туралы алғашқы хабар 2000 жылдың ақпан айында CERN-дегі SPS үдеткішінен түсті. Бұл жұмыс АҚШ-тағы RHIC сияқты қуатты үдеткіштерде және 2010 жылдан бастап Швейцария мен Франция шекарасында орналасқан CERN-дегі Еуропалық LHC-де жалғастырылды. RHIC-те кварк-глюондық плазма да пайда болғанына сенімді дәлелдер бар.
Термодинамика
Кварк материясының термодинамикасын түсіну үшін негіз – бөлшектер физикасының стандартты моделі, онда кварктердің алты әртүрлі дәмі, сондай-ақ электрондар мен нейтринолар сияқты лептондар бар. Олар күшті өзара әрекеттесу, электромагнетизм және кварктың бір түрін екіншісіне айналдыратын әлсіз өзара әрекеттесу арқылы өзара әрекеттеседі. Электр зарядын тасымалдайтын бөлшектер арасында электромагниттік өзара әсерлер, ал түс зарядын тасымалдайтын бөлшектер арасында күшті өзара әсерлер пайда болады. Кварк материясын термодинамикалық тұрғыдан дұрыс қарастыру физикалық жағдайға байланысты. Ұзақ уақытқа созылатын үлкен жүйелер үшін («термодинамикалық шек») стандартты модельдегі жалғыз сақталатын шамалар – кварк саны (бариондық санға тең), электр заряды, сегіз түс заряды және лептон саны. Олардың әрқайсысының химиялық потенциалы болуы мүмкін. Дегенмен, материяның үлкен көлемдері электрлік және түстік жайлы болуы керек, бұл электрлік және түстік зарядтың химиялық потенциалдарын анықтайды. Бұл кварк химиялық потенциалы, лептон химиялық потенциалы және температурамен сипатталатын үш өлшемді фазалық кеңістік қалдырады. Жұлдыздардың тығыз ядросындағы кварк материясы куб километрлерді алып, миллиондаған жылдар бойы сақталады, сондықтан термодинамикалық шек орынды. Алайда, нейтринолар қашып кетеді, лептон санын бұзады, сондықтан ықшам жұлдыздардағы кварк материясының фазалық кеңістігінде тек екі өлшем бар: температура (T) және кварк санының химиялық потенциалы μ. Стрэнджлет үлкен көлемдегі термодинамикалық шекте болмайды, сондықтан ол экзотикалық ядроға ұқсас, ол электр зарядын алып жүруі мүмкін. Ауыр иондардың соқтығысуы үлкен көлемде де, ұзақ уақыт бойы да термодинамикалық шекте болмайды. Термодинамика қолданылуы үшін жеткілікті тепе-теңдік бар-жоқ деген мәселені ескермей, әлсіз өзара әрекеттесулерге жеткілікті уақыт жетпейді, сондықтан дәм сақталады және барлық алты кварк дәмі үшін дербес химиялық потенциалдар бар. Бастапқы шарттар (соқтығысудың әсер параметрі, соқтығысқан ядролардағы жоғары және төмен кварктердің саны, оларда басқа дәмдегі кварктардың болмауы) химиялық потенциалдарды анықтайды. (Бұл бөлімге сілтеме: Бұл ықшам жұлдыздағы материяға қатысты, онда маңызды термодинамикалық потенциалдар кварк химиялық потенциалы μ және температура T ғана.) Басшылық ретінде, ол ауыр иондардың соқтығысуындағы және ерте ғаламдағы μ және T-нің әдеттегі мәндерін көрсетеді. Химиялық потенциал ұғымымен таныс емес оқырмандар үшін μ-ді жүйедегі кварктар мен антикварктар арасындағы тепе-теңдіктің өлшемі ретінде қарастыру пайдалы. μ-нің жоғары мәні кварктардың антикварктардан басымдығын көрсетеді. Төмен температурада антикварктар жоқ, ал μ жоғары болғанда кварктардың тығыздығы артады. Біз білетіндей, қалыпты атомдық материя – бұл аралас фаза, вакууммен қоршалған ядролық материяның (ядролардың) тамшылары, ол вакуум мен ядролық материя арасындағы төмен температуралық фаза шекарасында, μ = 310 МэВ және T нөлге жуық кезде кездеседі. Егер температураны төмен ұстап, кварк тығыздығын арттырсақ (яғни μ-ді арттырсақ), біз ядролық материяның қысылған фазасына өтеміз. Бұл жолмен жүру нейтрон жұлдызының тереңіне енумен тең. Соңында, μ-нің белгісіз сындық мәнінде кварк материясына көшу болады. Өте жоғары тығыздықтарда түсті суперөткізгіш кварк материясының түсті дәмдік құлыпталған (CFL) фазасын табуды күтеміз. Орташа тығыздықтарда басқа фазалар күтіледі (суретте «CFL емес кварк сұйықтығы» деп белгіленген), олардың табиғаты әзірге белгісіз. Алайда, оны жоғары тығыздықтарда және төмен температураларда қызықты түсті суперөткізгіш фаза құрылымын зерттеу үшін қолдануға болмайды.
For guidance it also shows the typical values of μ and T in heavy ion collisions and in the early universe. For readers who are not familiar with the concept of a chemical potential, it is helpful to think of μ as a measure of the imbalance between quarks and antiquarks in the system. Higher μ means a stronger bias favoring quarks over antiquarks. At low temperatures there are no antiquarks, and then higher μ generally means a higher density of quarks. Ordinary atomic matter as we know it is really a mixed phase, droplets of nuclear matter (nuclei) surrounded by vacuum, which exists at the low temperature phase boundary between vacuum and nuclear matter, at μ = 310 MeV and T close to zero. If we increase the quark density (i. e. increase μ) keeping the temperature low, we move into a phase of more and more compressed nuclear matter. Following this path corresponds to burrowing more and more deeply into a neutron star. Eventually, at an unknown critical value of μ, there is a transition to quark matter. At ultra high densities we expect to find the color flavor locked (CFL) phase of color superconducting quark matter. At intermediate densities we expect some other phases (labelled "non CFL quark liquid" in the figure) whose nature is presently unknown. However, it cannot be used to investigate the interesting color superconducting phase structure at high density and low temperature.
Модельдер
Қандай фазалар пайда болуы мүмкін екені туралы жалпы ұғымға ие болу үшін, QCD-мен ұқсас қасиеттері бар, бірақ басқаруға оңайырақ модельді пайдалануға болады. Көптеген физиктер глюондар жоқ Намбу-Жона-Ласинио модельдерін қолданады және күшті өзара әрекеттесуді төрт фермиондық өзара әрекеттесумен алмастырады. Фазаларды талдау үшін әдетте орташа өріс әдістері қолданылады. Тағы бір тәсіл – қап модельі, онда қамаудың әсері қамаусыз кварк материясын жазалайтын қосымша энергия тығыздығы арқылы модельдеу жүргізіледі.
Тиімді теориялар
Көптеген физиктер микроскопиялық тәсілден жаңылғандықтан, күтілетін фазалар туралы негізделген болжамдар жасайды (мысалы, NJL моделінің нәтижелеріне сүйене отырып). Әр фаза үшін олар төмен энергиялық қоздырғыштардың тиімді теориясын, аздаған параметрлер арқылы жазып, осы параметрлерді эксперименттік байқаулармен анықтауға мүмкіндік беретін болжамдар жасау үшін қолданады.
Басқа тәсілдер
Кейде КҚД-ны түсіну үшін басқа да әдістер қолданылады, бірақ түрлі себептерге байланысты олар кварк материясын зерттеуде әлі тиімді нәтижелер берген жоқ.
1/N кеңейту
Түстер санын N деп есептеңіз, ол іс жүзінде 3 – үлкен сан, және оны 1/N-нің дәрежелері арқылы кеңейтіңіз. Қосымша тығыздықта жоғары ретті түзетулер үлкен болып шығады, ал кеңейту шатастыратын нәтижелер береді.
Дәлел
2020 жылы массасы шамамен 2M⊙ болатын нейтронды жұлдыздардың ядролары кварк материясынан тұруы мүмкін екенін көрсететін дәлелдер ұсынылды. Олардың нәтижелері гравитациялық толқынды байқау станциялары өлшегендей, екі нейтронды жұлдыздың бірігуі кезіндегі нейтронды жұлдыздың тасқындық деформациялануына негізделді, бұл жұлдыз радиусын анықтауға мүмкіндік берді. Бұл, сондай-ақ жұлдыздың ядросының қысымы мен энергия тығыздығы арасындағы байланысты сипаттайтын күй теңдеуін есептеумен үйлестірілді. Аталған дәлелдер кварк материясының болуын күшті түрде болжады, бірақ оның бар екенін нақтылай қоймады.
Ақпарат көздері және қосымша оқу
Аронсон, С. және Людлам, Т.: "Кварк-глюондық плазманы іздеу", АҚШ Энергия департаменті (2005)
Летессье, Жан: Хадрондар және кварк-глюондық плазма, Кембридж бөлшектер физикасы, ядролық физика және космология монографиялары (18-том), Кембридж университеті баспасы (2002)
Letessier, Jean: Hadrons and quark gluon plasma, Cambridge monographs on particle physics, nuclear physics, and cosmology (Vol. 18), Cambridge University Press (2002)