Кварк-глюонная плазма (КГП) — это особое состояние материи, при котором кварки и глюоны, обычно заключённые внутри адронов (протонов, нейтронов и других частиц), становятся свободными и взаимодействуют как квазисвободные частицы в термодинамическом равновесии. Такое состояние предполагается существовавшим в первые микросекунды после Большого взрыва и может быть достигнуто в современных условиях при экстремально высоких температурах и плотностях энергии, таких как в тяжёлоионных столкновениях на ускорителях.
КГП описывается в рамках квантовой хромодинамики (КХД) — теории сильного взаимодействия, входящей в Стандартную модель элементарных частиц. В КХД кварки взаимодействуют посредством обмена глюонами, которые сами несут цветовой заряд, в отличие от фотонов в электродинамике. Это приводит к уникальному явлению — конфайнменту: кварки не могут быть изолированы в свободном состоянии при обычных условиях.
Однако при очень высоких температурах или плотностях происходит деконфайнмент, то есть разрушение адронных структур и переход к состоянию, в котором кварки и глюоны перестают быть связанными внутри адронов. Это и есть кварк-глюонная плазма.
Расчёты на решётке КХД (метод решёточной квантовой хромодинамики) показывают, что критическая температура перехода к кварк-глюонной плазме составляет примерно T_c ≈ 150–160 МэВ (что соответствует около 2×10¹² К). При этой температуре плотность энергии достигает порядка ε_c ≈ 1 ГеВ/фм³.
Характер этого фазового перехода зависит от числа вкусов кварков и их масс. При реалистических параметрах (в том числе с участием лёгких u, d и более тяжёлого s-кварка) переход к КГП представляет собой кроссовер, а не истинный фазовый переход первого или второго рода.
Кварк-глюонная плазма — это не идеальный газ квазисвободных частиц. Напротив, современные данные указывают на то, что КГП обладает свойствами жидкости с очень малой вязкостью. Это означает, что взаимодействия между частицами остаются значительными, несмотря на деконфайнмент.
Основные характеристики КГП:
Малая вязкость на энтропию: Параметр η/s (коэффициент вязкости к энтропийной плотности) близок к теоретическому нижнему пределу (границе АдС/CFT):
$$ \frac{\eta}{s} \gtrsim \frac{1}{4\pi} $$
Коллективные эффекты: В КГП наблюдаются коллективные движения, в частности, анизотропный поток, указывающий на гидродинамическое поведение среды.
Экранирование цветового заряда: Эффект аналогичен экранированию электрического заряда в плазме, что проявляется в подавлении тяжёлых кваркониев, таких как J/ψ — важный сигнал существования КГП.
Экспериментально КГП создаётся в столкновениях тяжёлых ионов на ультрарелятивистских скоростях, где высвобождаются экстремально большие плотности энергии. Основные ускорительные комплексы, работающие в этом направлении:
В этих установках сталкиваются ядра золота (RHIC) и свинца (LHC), создавая условия, аналогичные ранней Вселенной.
В условиях КГП прямое наблюдение кварков и глюонов невозможно из-за быстрой рекомбинации в адроны по окончании плазменной фазы. Поэтому используются косвенные сигналы, указывающие на существование КГП:
Связанное состояние c и c̄-кварков (J/ψ) разрушается в КГП из-за экранирования цветового взаимодействия. Это приводит к уменьшению числа обнаруживаемых J/ψ, что является индикатором деконфайнмента.
Наблюдается эллиптический поток частиц, связанный с гидродинамическим развитием КГП. Он чувствителен к вязкости и времени термализации.
Высокоэнергетические кварки, рождающиеся в начальном столкновении, теряют энергию при прохождении через КГП, что проявляется в подавлении высоко-p_T джетов и изменении угловой корреляции.
Увеличенное число странных мезонов и барионов (например, K⁰, Λ, Ξ) по сравнению с pp-столкновениями — признак быстрой химической эволюции и термализации.
Фотоны и лептонные пары, испущенные из горячей среды, несут информацию о температуре и времени жизни КГП.
Для описания временной эволюции КГП используется релятивистская гидродинамика, основанная на уравнениях сохранения энергии и импульса. Начальные условия задаются на основе геометрии перекрытия и плотности энергии.
Особое внимание уделяется коэффициентам переноса: вязкости, теплопроводности, коэффициентам диффузии, которые играют ключевую роль в развитии флуктуаций и анизотропии.
Первичный контакт (t ≈ 0) Ионы проникают друг в друга, образуется область с высокой плотностью энергии.
Предтермализация (t ≈ 0.1 фм/с) Начальные неравновесные процессы, в том числе глюонные каскады.
Фаза КГП (t ≈ 0.5–5 фм/с) Состояние термодинамического равновесия, описываемое гидродинамикой.
Гадронная фаза По мере охлаждения происходит хадронизация — превращение кварков и глюонов в адроны.
Замораживание Постепенное прекращение взаимодействий: сначала химическое (число частиц фиксируется), затем кинетическое (выход из термодинамического равновесия).
Хотя экспериментальные данные дают всё больше подтверждений существованию КГП, остаются нерешённые вопросы:
Механизм быстрой термализации: Как среда успевает термализоваться за время менее 1 фм/с?
Флуктуации и фазовая диаграмма: При каких условиях возможны фазовые переходы первого рода? Где находится критическая точка на диаграмме T–μ_B?
Роль магнитных полей и спиновая динамика: В тяжёлоионных столкновениях возникают сильные магнитные поля, влияющие на поведение зарядов и спинов.
Динамика глюонных конденсатов и слияние цветных струй (Color Glass Condensate, CGC): Исследуется роль насыщения глюонных состояний в начальной стадии.
Кварк-глюонная плазма тесно связана с космологией ранней Вселенной. Согласно современным моделям, сразу после инфляции (t < 10⁻⁵ с) Вселенная находилась в состоянии КГП. Понимание этого состояния помогает моделировать эволюцию ранней материи.
Также свойства КГП могут быть релевантны для понимания внутренней структуры нейтронных звёзд, особенно в гипотетических фазах, таких как странная материя или гибридные звёзды, где кварковая фаза может существовать в устойчивом состоянии при высоком барионном химическом потенциале.
Теоретическое изучение КГП активно развивается:
Решёточная КХД позволяет численно моделировать КГП при ненулевой температуре и барионной плотности, хотя остаются трудности с ненулевым μ_B из-за “проблемы знака”.
Голографические методы (AdS/CFT) используются для исследования strongly coupled QCD, включая поведение η/s и других коэффициентов переноса.
Эти подходы позволяют уточнять свойства КГП в пределе сильной связи, дополняя экспериментальные данные.