Введение
Гипотетические фазы материи
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.
Кварковая материя или материя КХД (квантовая хромодинамика) относится к любому из ряда гипотетических фаз материи, в которых степенями свободы являются кварки и глюоны, наиболее ярким примером которой является кварк-глюонная плазма. Ряд конференций, посвященных этой теме, проходил в 2019, 2020 и 2021 годах. Кварки высвобождаются в кварковую материю при чрезвычайно высоких температурах и/или плотностях, и некоторые из этих фаз остаются чисто теоретическими, поскольку требуют условий, настолько экстремальных, что их невозможно воспроизвести в лабораторных условиях, особенно в состоянии равновесия. В этих экстремальных условиях привычная структура материи, где основными составляющими являются ядра (состоящие из нуклонов, являющихся связанными состояниями кварков) и электроны, разрушается. В кварковой материи более целесообразно рассматривать сами кварки как основные степени свободы. В стандартной модели физики частиц сильное взаимодействие описывается теорией КХД. При обычных температурах и плотностях эта сила заключает кварки в составные частицы (адроны) размером около 10−15 м = 1 фемтометр = 1 фм (что соответствует энергетическому масштабу КХД ΛКХД ≈ 200 МэВ), и ее эффекты не проявляются на больших расстояниях. Однако, когда температура достигает энергетического масштаба КХД (T порядка 1012 кельвинов) или плотность возрастает до значения, при котором среднее расстояние между кварками становится меньше 1 фм (кварковый химический потенциал μ около 400 МэВ), адроны распадаются на составляющие их кварки, и сильное взаимодействие становится доминирующим фактором. Такие фазы называются кварковой материей или материей КХД. Сила цветового взаимодействия обуславливает то, что свойства кварковой материи отличаются от свойств газа или плазмы, приводя к состоянию материи, больше напоминающему жидкость. При высоких плотностях кварковая материя представляет собой жидкость Ферми, но предсказывается, что она будет проявлять цветовую сверхпроводимость при высоких плотностях и температурах ниже 1012 К.
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.
Природное происхождение
Согласно теории Большого взрыва, в ранней Вселенной при высоких температурах, когда Вселенной было всего несколько десятков микросекунд, фаза материи приняла форму горячей фазы кварковой материи, называемой кварк-глюонной плазмой (QGP). Компактные звезды (нейтронные звезды). Нейтронная звезда намного холоднее, чем 10¹² К, но гравитационный коллапс сжал ее до такой высокой плотности, что разумно предположить, что кварковая материя может существовать в ядре. Компактные звезды, состоящие в основном или полностью из кварковой материи, называются кварковыми звездами или странными звездами. Материя QCD может существовать внутри коллапсара гамма-всплеска, где могут генерироваться температуры до 6,7 × 10¹³ К. На данный момент не наблюдается ни одной звезды с ожидаемыми свойствами этих объектов, хотя некоторые свидетельства указывают на наличие кварковой материи в ядрах массивных нейтронных звезд. Странглеты. Это теоретически постулируемые (но пока не наблюдаемые) сгустки странной материи, содержащие примерно равное количество верхних, нижних и странных кварков. Предполагается, что странглеты присутствуют в галактическом потоке высокоэнергетических частиц и, следовательно, теоретически должны быть обнаруживаемы в космических лучах на Земле, однако ни один странглет не был обнаружен с уверенностью. Воздействие космических лучей. Космические лучи состоят из множества различных частиц, включая высокоускоренные атомные ядра, особенно ядра железа. Лабораторные эксперименты показывают, что неизбежное взаимодействие с тяжелыми ядрами благородных газов в верхних слоях атмосферы может привести к образованию кварк-глюонной плазмы. Кварковая материя с барионным числом более 300 может быть более стабильной, чем ядерная материя. Эта форма барионной материи потенциально может сформировать «остров стабильности».
Лабораторные эксперименты
Несмотря на то, что кварк-глюонная плазма может возникать только в весьма экстремальных условиях температуры и/или давления, она активно изучается на коллайдерах частиц, таких как Большой адронный коллайдер (LHC) в CERN и Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории. В этих столкновениях плазма существует лишь очень короткое время, прежде чем самопроизвольно распадается. Физические характеристики плазмы изучаются путем детектирования частиц, вылетающих из области столкновения с помощью крупных детекторов.
Столкновения тяжелых ионов на очень высоких энергиях могут создавать небольшие, короткоживущие области пространства, плотность энергии которых сопоставима с плотностью энергии Вселенной в первые 20 микросекунд после Большого взрыва. Это было достигнуто путем столкновения тяжелых ядер, таких как ядра свинца, на высоких скоростях, и первое сообщение об образовании кварк-глюонной плазмы поступило с ускорителя SPS в CERN в феврале 2000 года. Эти исследования были продолжены на более мощных ускорителях, таких как RHIC в США, и с 2010 года на Европейском БАК в CERN, расположенном в приграничной зоне Швейцарии и Франции. Имеются веские доказательства того, что кварк-глюонная плазма также образуется в RHIC.
Термодинамика
Контекст для понимания термодинамики кварковой материи – это Стандартная модель физики частиц, которая содержит шесть различных ароматов 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 – между частицами, несущими цветовой заряд. Корректное термодинамическое описание кварковой материи зависит от физического контекста. Для больших объемов, существующих в течение длительного времени («термодинамический предел»), необходимо учитывать, что единственными сохраняющимися зарядами в Стандартной модели являются число кварков (эквивалентно барионному числу), электрический заряд, восемь цветовых зарядов и число лептонов. Каждый из них может иметь соответствующий химический потенциал. Однако большие объемы материи должны быть электрически и цвето-нейтральными, что определяет химические потенциалы электрического и цветового зарядов. Это оставляет трехмерное фазовое пространство, параметризованное кварковым химическим потенциалом, лептонным химическим потенциалом и температурой. В компактных звездах кварковая материя занимает кубические километры и существует миллионы лет, поэтому термодинамический предел применим. Однако нейтрино покидают систему, нарушая сохранение лептонного числа, поэтому фазовое пространство для кварковой материи в компактных звездах имеет только два измерения: температуру (T) и кварковый химический потенциал μ. Странглет не находится в термодинамическом пределе большого объема, поэтому он подобен экзотическому ядру: он может нести электрический заряд. Столкновение тяжелых ионов не соответствует термодинамическому пределу больших объемов и длительных времен. Отбросив вопрос о том, достаточно ли система находится в равновесии для применения термодинамики, очевидно, что времени для протекания слабых взаимодействий недостаточно, поэтому аромат сохраняется, и существуют независимые химические потенциалы для всех шести ароматов кварков. Начальные условия (параметр удара столкновения, число верхних и нижних кварков в сталкивающихся ядрах и отсутствие кварков других ароматов) определяют химические потенциалы. (Ссылка для этого раздела: Это применимо к материи в компактной звезде, где единственными релевантными термодинамическими потенциалами являются кварковый химический потенциал μ и температура T. Для справки также приведены типичные значения μ и T в столкновениях тяжелых ионов и в ранней Вселенной. Читателям, незнакомым с понятием химического потенциала, полезно представлять μ как меру дисбаланса между кварками и антикварками в системе. Более высокое значение μ означает более сильный перекос в пользу кварков по сравнению с антикварками. При низких температурах антикварков нет, и тогда более высокое μ обычно означает более высокую плотность кварков. Обычная атомная материя, в том виде, в котором мы ее знаем, на самом деле является смешанной фазой – капли ядерной материи (ядра), окруженные вакуумом, существующей на границе фаз при низких температурах между вакуумом и ядерной материей при μ = 310 МэВ и T, близкой к нулю. Если мы увеличим плотность кварков (то есть увеличим μ), поддерживая низкую температуру, мы перейдем в фазу все более сжатой ядерной материи. Движение по этому пути соответствует углублению в нейтронную звезду. В конечном итоге, при неизвестном критическом значении μ, происходит переход к кварковой материи. При сверхвысоких плотностях мы ожидаем обнаружить фазу цветной сверхпроводимости кварковой материи с заблокированным цветом и ароматом (CFL). При промежуточных плотностях мы ожидаем существование других фаз (обозначенных как «не-CFL кварковая жидкость» на рисунке), природа которых в настоящее время неизвестна. Однако ее нельзя использовать для изучения интересной структуры фаз цветной сверхпроводимости при высокой плотности и низкой температуре.
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.
Модели
Чтобы получить общее представление о возможных фазах, можно использовать модель, обладающую некоторыми свойствами, схожими с КХД, но более простую в работе. Многие физики используют модели Намбу–Джона-Лазинио, которые не содержат глюонов и заменяют сильное взаимодействие взаимодействием четырех фермионов. Для анализа фаз обычно применяются методы среднего поля. Другой подход – модель «мешка», в которой эффекты конфайнмента моделируются добавлением плотности энергии, подавляющей несвязанную кварковую материю.
Эффективные теории
Многие физики просто отказываются от микроскопического подхода и делают обоснованные предположения об ожидаемых фазах (возможно, опираясь на результаты модели NJL). Для каждой фазы они затем формулируют эффективную теорию низкоэнергетических возбуждений, выраженную через небольшое число параметров, и используют её для получения предсказаний, которые позволили бы определить эти параметры на основе экспериментальных данных.
Другие подходы
Существуют и другие методы, которые иногда применяются для изучения КХД, но по различным причинам пока не принесли полезных результатов в исследовании кварковой материи.
Расширение 1/N
Рассматривайте число цветов N, которое фактически равно 3, как большое число и разложите в ряд по степеням 1/N. Оказывается, что при высокой плотности поправки более высоких порядков становятся значительными, и разложение даёт ошибочные результаты.
Доказательства
В 2020 году были получены данные, свидетельствующие о том, что ядра нейтронных звезд с массой около 2 М⊙, вероятно, состоят из кварковой материи. Этот вывод был основан на измерении гравитационно-волновыми обсерваториями приливной деформации нейтронных звезд во время их слияния, что позволило оценить радиус звезды, а также на расчетах уравнения состояния, связывающего давление и плотность энергии в ядре звезды. Полученные свидетельства были весьма убедительными, но не являлись окончательным доказательством существования кварковой материи.
Источники и дальнейшее чтение
Аронсон, С. и Людлам, Т.: "Охота на кварк-глюонную плазму", Министерство энергетики США (2005)
Летессье, Жан: Хадроны и кварк-глюонная плазма, Кембриджские монографии по физике частиц, ядерной физике и космологии (Vol. 18), Издательство Кембриджского университета (2002)
Letessier, Jean: Hadrons and quark gluon plasma, Cambridge monographs on particle physics, nuclear physics, and cosmology (Vol. 18), Cambridge University Press (2002)