Столкновения релятивистских ядер происходят при энергиях, в которых кинетическая энергия ядер сравнима или превышает массу покоя нуклонов, что соответствует энергиям в гевах и тэвах на нуклон. Такие столкновения исследуются в ускорителях тяжёлых ионов — в частности, на установках типа RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) и LHC (Large Hadron Collider, в режиме ионных столкновений).
Главная цель этих экспериментов — изучение поведения вещества при экстремальных условиях плотности и температуры, при которых, как предполагается, должно происходить образование нового состояния вещества — кварк-глюонной плазмы (КГП). Это состояние, в котором кварки и глюоны становятся фактически несвязанными, переходя из конфинированного состояния (внутри адронов) в коллективное состояние, где они свободно взаимодействуют.
Процесс столкновения можно условно разделить на несколько характерных стадий:
Два релятивистских ядра сближаются с околосветовыми скоростями. На этой стадии внутриядерные нуклоны сохраняют свою структуру, и внешнее воздействие между ядрами ещё пренебрежимо. Состояние описывается в терминах партонных плотностей в протонах и нейтронах, зависящих от переменной Бьёркена x и шкалы Q2.
Контакт между ядрами начинается с многократных столкновений нуклонов и их партонов. В этой фазе происходит обильная генерация глюонов и возбуждённых состояний, ведущих к распаду на новые частицы. Формируется т.н. “плазменный огонь”, в котором возможно образование КГП. Важно отметить, что система на этой стадии не находится в равновесии — наблюдается сильная анизотропия импульсов и неустойчивые флуктуации.
Если условия достаточно экстремальны, то через короткое время (порядка 1 фм/с) система приходит к квазитермальному равновесию. Это ключевая стадия, в которой может происходить образование КГП. Температура достигает значений порядка 150 − 500 МэВ. Эволюция системы на этом этапе описывается гидродинамическими уравнениями с учётом вязкости, давления и температурного градиента.
После достижения квазирегулярного состояния система начинает расширяться. Плотность и температура уменьшаются, и происходит переход от КГП к обычному адронному веществу — так называемая адронизация. Это фазовый переход, сопровождающийся связыванием кварков в мезоны и барионы. Поверхность, на которой происходит эта трансформация, называется гиперповерхностью замерзания (freeze-out).
Сначала происходит химическое замерзание — установление относительного числа различных частиц. Затем — кинетическое, когда частицы окончательно прекращают взаимодействовать между собой. От этого момента они свободно движутся к детекторам, где и фиксируются.
Основное теоретическое основание образования КГП проистекает из квантовой хромодинамики (КХД), согласно которой при высокой температуре и плотности происходит деконфайнмент — исчезновение цветовой изоляции кварков. Критическая температура фазового перехода оценивается как Tc ≈ 150 − 170 МэВ.
Моделирование этих процессов осуществляется в рамках:
Экспериментальные признаки КГП включают:
С увеличением энергии столкновений меняется картина и механизм процессов:
Центральность описывает степень перекрытия ядер. При центральных столкновениях (небольшой импакт-параметр) достигаются наибольшие плотности энергии. При периферийных столкновениях (большой импакт-параметр) формируется меньшая по размеру система с более выраженной анизотропией потоков.
Центральность влияет на:
Важным направлением является исследование фазовой диаграммы КХД вещества в координатах температура T — химический потенциал барионного числа μB. Предполагается наличие критической точки, вблизи которой наблюдаются сильные флуктуации термодинамических величин, особенно негауссовского характера (считанные моменты распределений, типа куртозиса и асимметрии).
Современные эксперименты, такие как Beam Energy Scan (RHIC), направлены на поиск критической точки, фазового перехода и структуры фазовой границы.
Изучение столкновений релятивистских ядер требует сложной системы регистрации частиц:
Основные детекторы:
Каждая установка включает в себя трекеры, калориметры, времяпролётные системы, системы идентификации частиц по dE/dx и черенковскому излучению.
Теоретическое описание требует комплексного использования:
Особое внимание уделяется построению уравнения состояния, параметров вязкости, теплоёмкости и скорости звука, которые напрямую влияют на динамику расширения и конечные наблюдаемые характеристики.
Поскольку столкновения происходят на околосветовых скоростях, используется формализм релятивистской кинематики: преобразования Лоренца, тензорная структура энергии-импульса, инвариантные массы систем. Это необходимо для анализа результатов в различных системах отсчёта (в частности, системы центра масс и лабораторной системы).
Также необходимы методы квантовой хромодинамики, включая бегущую постоянную связи, а также описание многочастичных процессов через диаграммы Фейнмана и эволюцию партонных распределений (DGLAP, BFKL, и пр.).
Исследования релятивистских столкновений не только проливают свет на состояние ранней Вселенной (в первые микросекунды после Большого взрыва), но и открывают доступ к фундаментальным характеристикам материи:
Кроме того, полученные знания применяются в астрофизике, в моделях нейтронных звёзд и коллапсирующих ядер.