Фазовые переходы в ядерной материи

Ядерная материя может существовать в различных фазовых состояниях в зависимости от температуры и барионной плотности. При низких температурах и плотностях материя находится в форме связанных нуклонов — в виде атомных ядер. При повышении температуры или плотности происходит переход в состояние, где нуклоны “растворяются” в кварк-глюонной среде. Эти фазовые переходы играют ключевую роль в теории сильного взаимодействия и в понимании условий, существовавших во Вселенной в первые микросекунды после Большого взрыва, а также в недрах нейтронных звёзд.

Существует несколько основных фаз ядерной материи:

• Фаза ядерного вещества — связанная система нуклонов при низкой температуре (T ≲ 10 МэВ) и барионной плотности, близкой к ядерной плотности ρ₀ ≈ 0.16 фм⁻³.
• Фаза ядерной жидкости — при незначительном нагревании или сжатии нуклоны начинают вести себя как ферми-жидкость, но всё ещё остаются в составе ядер.
• Кварк-глюонная плазма (КГП) — при высоких температурах (T ≳ 150–200 МэВ) и/или плотностях происходит разрыв связей между кварками, и материя становится однородной средой из свободных кварков и глюонов.
• Цветной сверхпроводник — на предельно высоких плотностях и низких температурах кварки могут образовывать куперовские пары, что приводит к спонтанному нарушению цветовой симметрии, аналогично сверхпроводимости в твёрдом теле.

Эти фазы могут быть соединены различными типами фазовых переходов: первого рода (с латентным теплом), второго рода (с непрерывными изменениями параметров порядка) или перекрёстным переходом (crossover), как это предполагается при переходе от адронной материи к КГП при низкой барионной плотности.

Характеристика фазового перехода КГП

Фазовый переход между адронной материей и кварк-глюонной плазмой является центральным объектом исследований в области квантовой хромодинамики (КХД) при конечной температуре. Он изучается с помощью решеточной КХД, эффективных теорий и феноменологических моделей.

На диаграмме фаз (T, μ_B), где μ_B — барионный химический потенциал, существует область, в которой переход является плавным (crossover), и область, где ожидается переход первого рода. Эти две области соединяются в критической точке — важнейшей мишени современных экспериментов в физике тяжёлых ионов.

Температура фазового перехода

Из численных расчётов решеточной КХД при μ_B = 0 следует, что фазовый переход происходит при температуре порядка T_c ≈ 155 МэВ. Это соответствует энергии ≈ 2×10¹² К, типичной для ранней Вселенной спустя ~10 микросекунд после Большого взрыва.

Переход не сопровождается скачкообразным изменением энергии, а наблюдается резкое изменение термодинамических величин — энергии, энтропии, удельного давления. Параметр порядка для данного перехода — это, например, конденсат кварк-антикварк ⟨ψ̄ψ⟩, связанный с нарушением хиральной симметрии.

Механизмы фазовых переходов

В зависимости от параметров система может демонстрировать различные типы фазовых переходов:

• Переход первого рода характеризуется скачком в плотности энергии, наличием латентного тепла и фазовым сожитием.
• Переход второго рода проявляется непрерывным изменением параметра порядка и аномалиями в теплоёмкости и других откликах.
• Плавный перекрёстный переход (crossover) — отсутствует строгое разделение фаз, но существует область резкого изменения физических свойств.

Переход в КГП, как показывают вычисления решеточной КХД, при нулевом химическом потенциале является перекрёстным, но на больших значениях μ_B он может становиться переходом первого рода. Положение и существование критической точки до конца не определены и активно исследуются экспериментально.

Диаграмма фаз КХД

Фазовая диаграмма КХД (QCD phase diagram) отображает зависимость состояния материи от температуры и химического потенциала:

• При высокой температуре и низком химическом потенциале — переход в КГП (crossover).
• При высокой плотности и низкой температуре — область цветного сверхпроводника.
• Между ними — предполагаемая критическая точка, за которой начинается переход первого рода.

Диаграмма фаз КХД — это теоретический конструкт, получаемый из расчётов на решетке, из эффективных моделей (NJL-модель, PNJL, модель Баг-фазона и др.) и сравниваемый с данными коллайдерных экспериментов.

Роль решеточной КХД

Решеточная квантовая хромодинамика — это численный метод, позволяющий определить термодинамические свойства КХД при конечной температуре. В рамках этого подхода пространство-время дискретизируется, а путь интегрирования по конфигурациям поля вычисляется с помощью алгоритмов Монте-Карло.

С помощью решеточной КХД были получены ключевые результаты:

• Оценка температуры фазового перехода.
• Подтверждение перекрёстного характера перехода при μ_B ≈ 0.
• Измерение температурной зависимости термодинамических величин: давления, энергии, энтропии.
• Расчёт сжимаемости, флуктуаций заряда, барионного и странного числа.

Одной из главных трудностей решеточной КХД остаётся проблема знака при конечном химическом потенциале, которая усложняет прямое моделирование плотной материи. Для преодоления применяются аналитическое продолжение, метод мультиканонических ансамблей, Taylor-разложения и другие техники.

Экспериментальные исследования фазовых переходов

Проверка фазовой структуры КХД осуществляется в экспериментах по столкновению тяжёлых ионов на высоких энергиях:

• RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider, Брукхейвен) — исследует фазовый переход КГП при высоких температурах и умеренных плотностях.
• LHC (Large Hadron Collider, CERN) — изучает КГП при почти нулевом μ_B.
• FAIR (Германия), NICA (Россия) — нацелены на изучение плотной материи и критической точки.

В этих экспериментах регистрируются:

• Спектры частиц и потоков.
• Флуктуации зарядов.
• Угловые корреляции и потоковые коэффициенты.
• Эмиссия фотонов и лептонов как зондов ранних стадий.

Наблюдаемые признаки фазового перехода:

• Снижение вязкости к энтропии (η/s) вблизи перехода.
• Аномалии в флуктуациях и кумулянтах распределения числа частиц.
• Замедление динамики вблизи критической точки (критическое замедление).

Моделирование динамики фазовых переходов

Для описания неравновесной динамики фазового перехода применяются гидродинамические модели с включением хиральных и термодинамических степеней свободы. Эти модели учитывают:

• Эволюцию плотности и температуры во времени.
• Формирование доменов и флуктуаций параметра порядка.
• Протекание спинодальной декомпозиции при переходе первого рода.

Также используются модели типа гидродинамики второго порядка (Israel–Stewart) и стохастические дифференциальные уравнения (Langevin-type), моделирующие тепловой шум и критические флуктуации.

Связь с ранней Вселенной и астрофизикой

Фазовый переход КГП мог произойти в ранней Вселенной спустя ~10⁻⁵ с после Большого взрыва. Это могло повлиять на бариогенез, формирование начальных неоднородностей и гравитационные волны.

В недрах нейтронных звёзд могут существовать области с плотностью, превышающей 5–10 ρ₀, где кварковая материя и цветной сверхпроводник могут стабильно существовать. Это влияет на массу, радиус и сжимаемость звезды, а также на свойства гравитационных волн при слиянии нейтронных звёзд.

Таким образом, фазовые переходы в ядерной материи представляют собой многоаспектную область физики, объединяющую теорию КХД, численные методы, экспериментальную физику высоких энергий и астрофизику плотных объектов.