Квark-глюонная плазма

Состояние кварк-глюонной плазмы: микроскопическая структура и динамика

Кварк-глюонная плазма (КГП) — это фаза материи, в которой кварки и глюоны не находятся в связанном состоянии внутри адронов, а существуют как квазисвободные квазичастицы в коллективной среде. Это состояние возникает при температурах выше критической, порядка T_c ∼ 150 − 170 МэВ, и/или при чрезвычайно высокой плотности барионного числа.

Переход от обычной ядерной материи к КГП является проявлением перехода “разбегания конфайнмента” (deconfinement) и восстановления спонтанно нарушенной хиральной симметрии. В терминах теории, это фазовый переход, контролируемый параметрами температурной решеточной КХД.

Кварк-глюонная плазма обладает рядом отличительных признаков:

Незаключённость кварков и глюонов: они могут перемещаться на расстояния, большие, чем размер адронов.
Коллективное поведение: КГП описывается гидродинамически, как сильно взаимодействующая жидкость.
Экранирование цветового заряда: взаимодействие между цветовыми зарядами экранируется аналогично экранированию кулоновского поля в плазме.

Переход в фазу КГП и температурные режимы

В КХД фазовая диаграмма характеризуется осями температуры T и химического потенциала барионного числа μ_B. При низком μ_B и высоком T (условия, достижимые в коллайдерах), переход к КГП является плавным кроссовером. При больших μ_B возможен настоящий фазовый переход первого рода, сопровождаемый образованием смешанной фазы.

Решеточные вычисления (lattice QCD) показывают, что восстановление хиральной симметрии и деконфайнмент происходят приблизительно при одной и той же температуре. Это позволяет трактовать КГП как единую фазу с новым типом симметрии и степени свободы.

Микроскопические свойства и эффективные теории

Характерной чертой КГП является то, что несмотря на высокую температуру, среда остаётся сильно взаимодействующей. Это подтверждается малыми значениями вязкости на единицу энтропии (η/s ∼ 0.1), близкими к нижней границе, предсказанной голографией (предел Ковтун–Сон–Старинец).

Для описания КГП применяются различные подходы:

Решеточная КХД — основной численный метод для описания неабелевой калибровочной теории при конечной температуре.
Голографические модели на основе AdS/CFT — эффективны для анализа strongly-coupled фаз.
Кинетическая теория и гидродинамика — для описания эволюции КГП в пространственно-временном континууме после тяжёлых ионных столкновений.
Hard Thermal Loop (HTL) приближение — квантовополевая техника для расчётов в термальной среде.

Особенно важна роль экранирования цветовых взаимодействий, что приводит к исчезновению потенциала конфайнмента и модификации спектра адронных возбуждений. Например, мюонные состояния J/ψ распадаются в КГП, что используется как экспериментальный индикатор её образования.

Динамика в тяжёлых ионных столкновениях

На практике КГП исследуется в коллайдерах тяжёлых ионов, таких как RHIC и LHC. При центральных столкновениях тяжёлых ядер (например, золота или свинца) создаются условия, при которых возникает горячая и плотная область — “огненный шар”, в котором реализуется КГП.

Эволюция плазмы описывается в рамках релятивистской гидродинамики. Начальная стадия характеризуется анизотропной средой, быстро переходящей к изотропной квазисжимаемой жидкости. Основные параметры, определяющие поведение среды:

Температурный градиент
Плотность энергии
Анизотропия давления
Число участников и центральность столкновения

После краткой гидродинамической фазы (~1–10 фм/с), плазма охлаждается и переходит в стадию хадронизации. Энергия переходит в адроны, наблюдаемые в детекторах. Эта стадия описывается модели фриз-аута: химического (стабилизация состава) и кинетического (остановка взаимодействий).

Обсервационные сигнатуры

Реальные сигнатуры КГП в экспериментах получаются из корреляторов, распадов и потоков частиц. Наиболее информативны:

Подавление тяжёлых кворконийных состояний, таких как J/ψ и Υ, за счёт экранирования цветового поля.
Анизотропные потоки (особенно v₂) — следствие гидродинамической эволюции и давления в плазме.
“Джет квенчинг” (затухание струй) — потеря энергии высокоэнергетическими кварками при прохождении через КГП.
Фотонное и дилептонное излучение — проникающие наблюдатели, несущие информацию о начальных температурах.

Кроме того, важными являются флуктуации и корреляции, свидетельствующие о природе фазового перехода. Например, повышенная флуктуация заряда или странности указывает на переход в новую фазу.

Роль анизотропии и неравновесной динамики

Современные модели принимают во внимание, что начальная стадия формирования КГП — неравновесная. Неизотропные распределения импульсов приводят к необходимости учета анизотропной гидродинамики и кинетики. Классические методы, использующие термальное уравновесие, применимы лишь после так называемой “гидродинамической инициализации”.

Эволюция квазисвободных глюонных полей в начальной стадии описывается как глюонная плазма (Color Glass Condensate), переходящая в преквилибриумную фазу, где доминируют турбулентные и нестабильные моды. Только затем наступает гидродинамический режим, приводящий к формированию КГП.

Вискозность, теплопроводность и другие транспортные коэффициенты

Важной характеристикой КГП являются её транспортные свойства:

Вязкость η отражает сопротивление среде при деформации.
Коэффициент теплопроводности κ связан с переносом энергии.
Диффузионные коэффициенты (в том числе странных и тяжёлых ароматов) указывают на эффективность смешивания компонентов плазмы.

Чрезвычайно низкое значение η/s в КГП делает её одной из наименее вязких форм материи, известных в природе. Это приводит к отличной передаче давления и сильным анизотропным эффектам в вылетающих частицах.

Связь с ранней Вселенной и астрофизикой

Кварк-глюонная плазма существовала в первые ∼ 10⁻⁵ секунд после Большого взрыва, до перехода к адронной материи. Поэтому исследования КГП — это экспериментальное окно в раннюю Вселенную.

Кроме того, условия, приближенные к КГП, могут реализовываться в ядрах нейтронных звёзд и в столкновениях компактных объектов. Например, при слиянии нейтронных звёзд возможно временное образование сверхплотной кварковой материи.

Теоретические вызовы и перспективы

Несмотря на достижения, полное теоретическое понимание КГП остаётся открытым. К основным нерешённым задачам относятся:

Точное описание фазового перехода при конечной μ_B (из-за “проблемы знака” в решеточной КХД).
Внедрение квантовых флуктуаций и начальной анизотропии в динамические модели.
Конструкции универсальных эффективных теорий для сильно взаимодействующей плазмы.
Точное восстановление транспортных коэффициентов из экспериментальных данных.

Будущие эксперименты на FAIR (GSI), NICA (ОИЯИ), а также продолжение программы RHIC Beam Energy Scan направлены на картографирование фазовой диаграммы КХД, включая поиск критической точки и проверку существования перехода первого рода.

Заключительные замечания

Кварк-глюонная плазма — это не только объект фундаментального интереса, но и уникальное состояние материи, в котором раскрывается нелинейная и коллективная динамика КХД. Её изучение требует сочетания экспериментальной точности, численных симуляций и глубокой теоретической интуиции.