Фазовые переходы в квантовой хромодинамике

Фазовые переходы в квантовой хромодинамике (КХД) представляют собой критические преобразования состояния вещества при экстремальных температурах и плотностях, при которых изменяются конфигурации вакуума, свойства кварков и глюонов, а также симметрии, лежащие в основе взаимодействий. Эти переходы важны как для фундаментальной теории сильных взаимодействий, так и для космологических и астрофизических приложений: они играют ключевую роль в ранней Вселенной и внутренней структуре нейтронных звёзд.

КХД описывает взаимодействия кварков и глюонов, и в ней возможны несколько видов фазовых переходов, в зависимости от температуры и барионной плотности. Два основных типа таких переходов — конфайнмент-деконфайнмент и восстановление хиральной симметрии.

Конфайнмент и деконфайнмент

В низкотемпературной фазе, при обычных условиях, кварки и глюоны находятся в связанных состояниях — адронах, таких как протоны и нейтроны. Это называется конфайментом. Однако при высокой температуре или плотности адроны «расплавляются», и вещество переходит в новую фазу — кварк-глюонную плазму (КГП), в которой кварки и глюоны свободны на расстояниях порядка размера адрона и выше.

Эта фаза характеризуется следующими признаками:

Потеря конфайнмента: исчезновение линейного потенциала между кварками.
Изменение термодинамических величин: резкое увеличение степени свободы, энергии и давления.
Модификация корреляторов глюонных и кварковых полей.

Переход от адронной фазы к кварк-глюонной плазме при высокой температуре можно изучать в термодинамическом приближении КХД на решётке (lattice QCD). Результаты численного моделирования показывают, что при малой барионной плотности (μ ≈ 0) этот переход является кроссовером, то есть плавным, без чёткой точки фазового перехода. Однако при более высоких плотностях может иметь место переход первого рода, сопровождающийся латентной теплотой и скачками в плотностях.

Хиральная симметрия и её восстановление

Хиральная симметрия — это симметрия КХД при пренебрежении массами лёгких кварков (u, d и частично s). При низкой температуре она спонтанно нарушена: существует ненулевое вакуумное ожидание хирального конденсата ⟨????̄????⟩, которое приводит к появлению эффективных масс у адронов и пионов как квазибозонов Голдстоуна.

При повышении температуры хиральная симметрия восстанавливается: хиральный конденсат исчезает, спектры парных фермионных состояний выравниваются, и возникает приближённая хиральная инвариантность. Это восстановление может происходить одновременно или отдельно от перехода конфайнмента, в зависимости от параметров.

В решёточной КХД наблюдается, что для (2+1)-вкусовой теории с физическими массами u, d, s хиральная симметрия восстанавливается примерно при той же температуре, что и деконфайнмент, около 150–160 МэВ. Однако при экстремальных условиях, например в нейтронных звёздах, возможны более сложные сценарии разделения фаз.

Диаграмма фаз КХД

Полная фазовая диаграмма КХД в пространстве температур (T) и барионного химического потенциала (μ_B) имеет сложную структуру, включающую:

Адронную фазу (низкая T и μ_B).
Кварк-глюонную плазму (высокая T).
Кварковую материю высокой плотности, включая возможные цвет-сверхпроводящие фазы при высоких μ_B и низкой T.

Между этими фазами расположены различные линии фазовых переходов:

Линия кроссовера (при малом μ_B), подтверждённая решёточной КХД.
Линия перехода первого рода (ожидается при высоком μ_B), но пока не наблюдена экспериментально.
Критическая точка — гипотетическое место, где линия первого рода переходит в кроссовер. Это одна из ключевых целей современных и будущих экспериментов на тяжёлых ионах (например, RHIC Beam Energy Scan, FAIR, NICA).

Цветная сверхпроводимость

При крайне высоких барионных плотностях и низких температурах (внутренности нейтронных звёзд) возможно появление цветной сверхпроводимости — состояния, при котором кварки образуют пары (аналогично куперовским парам в БКШ-теории) за счёт притяжения в определённых каналах. Это приводит к:

Разрыву симметрий (цветовых и барионных).
Возникновению бозонных возбуждений (голдстоунов).
Изменению термодинамических и транспортных свойств.

Среди фаз цветной сверхпроводимости наиболее изученные — 2SC (двухвкусовая) и CFL (color-flavor locking), соответствующие различным конфигурациям конденсатов.

Методы изучения фазовых переходов

Исследование фазовых переходов в КХД требует совмещения различных подходов:

Решёточная КХД — основной метод для T ≠ 0 и малого μ_B. Даёт точные данные о температуре переходов, термодинамике, поведении хирального конденсата и др.
Эффективные модели — например, NJL-модель, PNJL, линейные сигма-модели, применимы для μ_B ≠ 0.
Феноменологические подходы — гидродинамика КГП, моделирование столкновений тяжёлых ионов.
Экспериментальные данные — фазовые переходы можно косвенно исследовать в столкновениях ядер высокой энергии, через флуктуации, корреляции, струи и др.

Экспериментальные признаки фазовых переходов

Современные ускорители тяжёлых ионов, такие как RHIC, LHC, SPS, а в будущем FAIR и NICA, предоставляют уникальную возможность создания и изучения кварк-глюонной плазмы в лабораторных условиях. Основные наблюдаемые признаки фазовых переходов включают:

Увеличение энтропии и числа частиц при переходе в КГП.
Супрессия тяжёлых кваркониев (например, J/ψ) — признак экранирования цветовых зарядов.
Флуктуации зарядов, барионного числа, странности — особенно чувствительны к критической точке.
Анизотропные потоки и поведение бозонных корреляций — чувствительны к вязкости и уравнению состояния.
Энергетическая зависимость наблюдаемых величин — может указывать на смену фазы (например, «колено» или «плато» в функциях от √s).

Роль КХД фаз в космологии и астрофизике

Фазовые переходы в КХД имеют важные последствия для эволюции ранней Вселенной и структуры компактных звёзд:

Космология: в первые микросекунды после Большого взрыва Вселенная находилась в состоянии КГП. Переход в адронную фазу мог повлиять на образование барионной асимметрии, флуктуации плотности и происхождение тёмной материи.
Нейтронные звёзды: внутренности этих объектов могут содержать кварковую материю или фазы цветной сверхпроводимости. Наблюдения массы, радиуса, колебаний и гравитационных волн дают ограничивающую информацию о фазовой структуре вещества при высоких плотностях.

Симметрии, универсальность и критические явления

Тип фазового перехода в КХД определяется симметриями и числом кварковых вкусов:

Для N_f = 2 и малых масс — возможен второй порядок, аналогично модели O(4).
Для N_f = 3 и малых масс — переход первого рода.
Для физических масс — кроссовер.

Это связывает поведение КХД с универсальностью в теории критических явлений и позволяет использовать методы из статистической физики.

Критическая точка, если она существует, будет принадлежать к классу универсальности Z(2), аналогично жидкость–газ переходу. Это делает её особенно интересной для поиска экспериментальных сигналов, таких как критические флуктуации, рост корреляционной длины и негауссовы моменты распределений.

Фазовые переходы в КХД остаются одним из центральных направлений исследований в физике высоких энергий, объединяя теоретические, численные и экспериментальные подходы для понимания природы сильного взаимодействия в экстремальных условиях.