Физика столкновений тяжелых ионов: структура, процессы, наблюдаемые эффекты
Столкновения тяжелых ионов при высоких энергиях служат уникальной лабораторией для исследования состояний материи, существовавших в первые микросекунды после Большого взрыва. При достаточной температуре и плотности адроны “расплавляются” в кварк-глюонную плазму (КГП) — фазу свободных кварков и глюонов, предсказанную квантовой хромодинамикой (КХД). Главная цель экспериментов — воссоздание КГП и изучение её свойств, таких как вязкость, плотность энергии, уравнение состояния и механизмы ее образования и распада.
В экспериментах используется широкий диапазон ионов: от золота (Au+Au, на RHIC) до свинца (Pb+Pb, на LHC), с энергиями вплоть до √sNN ≈ 5.02 ТэВ. В таких условиях создаются экстремальные значения температуры (T > 300 МэВ) и плотности энергии (> 10 ГэВ/фм³), что существенно превышает порог перехода в КГП, предсказанный решеточной КХД (Tc ≈ 150–160 МэВ).
Эволюция системы в столкновениях тяжелых ионов подразделяется на несколько стадий:
До взаимодействия (предстолкновительная фаза) Ионы движутся с релятивистскими скоростями, и пространственно-временное перекрытие ядер — крайне короткое (~0.1 фм/с). Эффекты начальных флуктуаций и конфигурация глюонных полей (в рамках модели Color Glass Condensate) играют важную роль.
Фаза образования КГП (термализация) В момент перекрытия происходит быстрая генерация глюонов и кварков. Временной масштаб термализации оценивается τtherm ≈ 0.5–1.0 фм/c. Система вступает в гидродинамическую эволюцию, описываемую уравнениями идеальной или вязкой гидродинамики.
Гидродинамическая стадия Основная часть времени (~5–10 фм/c) система развивается как почти идеальная жидкость, характеризующаяся очень малым отношением η/s (вязкость к энтропии), близким к теоретическому пределу 1/4π. Анизотропия давления порождает потоковую структуру в финальном состоянии.
Фриз-аут (замерзание) При достижении критической температуры происходит распад КГП в адроны. Различают химический фриз-аут (фиксация состава частиц) и кинематический (фиксация импульсных распределений). Далее следует свободное распространение частиц до регистрации.
Псевдорапидность и мультиплицитет: Измерения числа вторичных частиц на единицу псевдорапидности dNch/dη позволяют оценивать плотность энергии и энтропию. Для столкновений Pb+Pb при √sNN = 2.76 ТэВ dNch/dη|η=0 превышает 1500, что на порядок больше, чем в pp-столкновениях.
Эллиптический поток (v₂): Форма перекрытия ядер вызывает анизотропию давления и, как следствие, анизотропию в распределении частиц по азимутальному углу. Эллиптический поток v₂ — коэффициент второго гармоника в разложении по Фурье — является чувствительным индикатором вязкости и начальных флуктуаций. Значения v₂ до 0.1-0.2 указывают на коллективное поведение.
Явление джет-квэнчинга (затухание струй): В высокоэнергетических столкновениях образуются пары частиц с большими pT, рождаемые при рассеянии партонов. При прохождении через КГП они теряют энергию, вызывая асимметрию в распределении джетов. Коэффициент RAA (отношение числа частиц в AA к pp, нормированное на число столкновений нуклонов) < 1 подтверждает наличие плотной среды.
Кумулянты потока и флуктуации: Для детального изучения природы потока применяются многочастичные корреляции, в частности, кумулянты 4-го и выше порядков. Они чувствительны к флуктуациям начальных условий и нелинейным эффектам в гидродинамике.
RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider): Брукхейвенская национальная лаборатория (США). Первое устройство, достигшее энергии √sNN ≈ 200 ГэВ. Эксперименты STAR и PHENIX исследовали переход в КГП, подтвердили существование сильновзаимодействующей жидкости, изучили фазовую диаграмму КХД.
LHC (Large Hadron Collider): CERN, Женева. Столкновения Pb+Pb при √sNN до 5.02 ТэВ. Эксперименты ALICE, ATLAS и CMS предоставили огромное количество данных по потокам, джет-квэнчингу, производству тяжелых кварков и бозонов, а также фемтоскопии.
FAIR (GSI, Германия) и NICA (Дубна, Россия): Эксперименты будущего поколения, ориентированные на область низких и промежуточных энергий (~5–10 ГэВ на нуклон), где ожидается наличие критической точки и первый порядок фазового перехода. Особый интерес представляет возможность изучения плотной барионной материи.
Очарованные и красивые мезоны (D, B): Являются зондами для исследования плотности среды. Их кинематика чувствительна к транспортным свойствам КГП. Подавление состояний Υ и J/ψ указывает на дебаевское экранирование в КГП.
Электромагнитные зонды (фотоны, дилептоны): Излучаются на всех стадиях эволюции и не взаимодействуют с сильной силой, что делает их идеальными для диагностики ранней фазы. Спектры фотонов позволяют оценить температуру на начальной стадии.
Анализ корреляций тождественных бозонов (например, π+π+) позволяет реконструировать пространственно-временную структуру зоны излучения (метод Ханбери-Браун-Твисса). Радиусы порядка 5–7 фм, время жизни КГП около 10 фм/с.
Эксперименты в широком диапазоне энергий направлены на картографирование фазовой диаграммы КХД в осях температура – химический потенциал барионного числа (T – μB). При высоких энергиях ожидается кроссовер-переход, тогда как при низких энергиях — фазовый переход первого рода и критическая точка. Поиск критической точки — ключевая задача программы Beam Energy Scan на RHIC.
Для описания всех стадий столкновений применяются комплексные модели:
Несмотря на большие достижения, остается ряд нерешенных вопросов:
Эксперименты с тяжелыми ионами продолжают оставаться в авангарде современной физики высоких энергий, открывая путь к пониманию фундаментальной структуры материи и ранней Вселенной.