Физика тяжелых ионов и кварк-глюонная плазма

Физика тяжёлых ионов исследует столкновения атомных ядер с высокими энергиями, при которых может происходить переход материи в новое состояние — кварк-глюонную плазму (КГП). Эти столкновения создаются на ускорителях типа RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) и LHC (Large Hadron Collider), где сталкиваются тяжёлые ядра, например, золота (Au) или свинца (Pb) с ультрарелятивистскими энергиями.

Существуют два основных этапа в динамике столкновений тяжёлых ионов:

Начальная стадия — доминирует глуонная динамика, и происходит насыщение глюонных полей (в рамках моделей типа Color Glass Condensate).
Тепловизация и гидродинамическая эволюция — плазма быстро переходит в состояние квазитеплового равновесия и описывается уравнениями релятивистской гидродинамики.
Замерзание (freeze-out) — при расширении и охлаждении плазмы происходит адронная реконфайнментация и дальнейшее рассеяние образовавшихся частиц.

Особое значение имеют параметры энергии на нуклон: при √s_NN ~ 10–1000 ГэВ возможен переход в фазу КГП, что и делает физику тяжёлых ионов уникальной лабораторией для изучения ранней Вселенной и сильного взаимодействия в экстремальных условиях.

Кварк-глюонная плазма: определение и термодинамика

Кварк-глюонная плазма — это состояние вещества, в котором кварки и глюоны становятся незапертыми, то есть перестают быть ограниченными внутри адронов. Это фаза, в которой сильное взаимодействие описывается теорией квантовой хромодинамики (КХД) в условиях высокой температуры и плотности.

По расчётам решётчатой КХД (lattice QCD), переход в КГП происходит при температуре порядка T_c ≈ 155–160 МэВ, что соответствует энергетической плотности ε ≈ 0.5–1.0 ГэВ/фм³. Фазовый переход может быть либо кроссовером (в условиях малой барионной плотности), либо фазовым переходом первого порядка (в условиях большой плотности).

Основные характеристики КГП:

высокая степень свободы (число состояний увеличивается);
малое отношение η/s (вязкость к энтропийной плотности), близкое к квантовому пределу 1/4π;
быстрая изотропизация и термализация за ~1 фм/с;
коллективные эффекты (потоки, флуктуации, турбулентность).

Уравнение состояния и гидродинамическое описание

Гидродинамика КГП основывается на уравнениях сохранения энергии-импульса и заряда, включая эффект конечной вязкости:

∂_μT^μν = 0, ∂_μN_B^μ = 0

где T^μν — тензор энергии-импульса, N_B^μ — барионный ток.

Важнейшую роль играет уравнение состояния (EoS): зависимость давления от энергии и температуры, получаемая из решётчатой КХД. В диапазоне температур 150–300 МэВ уравнение состояния демонстрирует переход от адронного газа к КГП, что приводит к явным изменениям в расширении и динамике струй.

Существуют две версии моделирования:

идеальная гидродинамика: без вязкости, приводит к избыточному потоку;
вязкая гидродинамика (в частности, 2+1D и 3+1D модели): включает влияние вязкости и релаксационных времён.

Обсервационные признаки формирования КГП

Для установления факта образования КГП в экспериментах разработан целый спектр наблюдаемых эффектов:

Анизотропные потоки

Основным доказательством коллективности плазмы служит вторичный поток (эллиптический поток):

v₂ = ⟨cos (2ϕ)⟩

Он возникает вследствие начальной геометрической асимметрии перекрытия ядер при неполном центральном столкновении. Значения v₂ хорошо воспроизводятся гидродинамическими моделями, особенно при малом η/s, что указывает на почти идеальную жидкость.

Подавление струй (jet quenching)

Кварки и глюоны, прошедшие через КГП, теряют энергию за счёт радиационного и коллизионного торможения. Это приводит к подавлению высокоэнергичных адронов, характеризуемому коэффициентом ядерной модификации:

$$ R_{AA}(p_T) = \frac{1}{\langle N_{\text{coll}} \rangle} \cdot \frac{d^2N^{AA}/dp_Tdy}{d^2N^{pp}/dp_Tdy} $$

Типичные значения R_AA < 0.2 для π⁰ при p_T > 5 ГэВ, что свидетельствует о плотной и непрозрачной среде.

Электромагнитные зонды

Фотоны и лептонные пары не испытывают сильного взаимодействия и могут выносить информацию напрямую из плазмы. Они используются для:

реконструкции начальной температуры;
изучения временной эволюции системы;
поиска признаков фазы восстановления симметрий.

Тяжёлые кварки и кватконии

Мезоны, содержащие c- и b-кварки, особенно чувствительны к свойствам среды. В частности:

подавление J/ψ и ϒ — признак экранования цветовых связей в КГП;
коллективное движение тяжёлых кварков — свидетельство частичной термализации;
перегенерация тяжёлых мезонов на поздних стадиях — указывает на высокую плотность шармов.

Модели начального состояния и флуктуации

Важной особенностью столкновений тяжёлых ионов является флуктуирующая структура начального состояния, влияющая на конечные распределения. Существует несколько подходов:

Monte Carlo Glauber — геометрическое описание столкновения на основе распределений нуклонов;
Color Glass Condensate (CGC) — учитывает насыщение глюонов при малых x и нелинейные эффекты КХД;
IP-Glasma — объединяет флуктуации плотности и насыщение глюонных полей.

Флуктуации приводят к возникновению потоков высших порядков: v₃, v₄, …, даже при центральных столкновениях. Эти потоки зависят от корреляций в начальных условиях и вязкости среды, что делает их чувствительными зондами внутренней динамики.

Энергетическая шкала и фазовая диаграмма

На ускорителях типа SPS, RHIC и LHC реализуется широкая шкала энергии √s_NN от 5 до 5000 ГэВ. Это позволяет реконструировать фазовую диаграмму КХД в координатах (T, μ_B):

высокоэнергетические столкновения (LHC, верхний RHIC) — область низких μ_B, переход — кроссовер;
низкоэнергетические столкновения (низкий RHIC, FAIR, NICA) — область высокой барионной плотности, ожидается фазовый переход первого рода;
точка критическая (CEP) — предсказанный особый режим, где меняется характер фазового перехода, активный объект поиска в программах Beam Energy Scan (RHIC) и на будущих коллайдерах.

Сравнение с ранней Вселенной и астрофизикой

Температура и плотность в центральных столкновениях тяжёлых ионов сравнимы с условиями, существовавшими в первые микросекунды после Большого взрыва. Изучение КГП позволяет:

верифицировать космологические модели кваркового-глюонного перехода;
понять динамику восстановления симметрий (например, хиральной);
дать оценки плотности, энергии, вязкости материи в экстремальных режимах.

Кроме того, свойства КГП перекликаются с физикой нейтронных звёзд и внутриядерного вещества при больших барионных плотностях.

Современные и будущие эксперименты

Ключевые эксперименты, направленные на исследование КГП и физики тяжёлых ионов:

RHIC (BNL) — серия экспериментов (STAR, PHENIX) с программой Beam Energy Scan.
ALICE (LHC, CERN) — универсальный детектор, специализированный на тяжёлых ионах.
sPHENIX — новая установка для детального изучения струй и тяжёлых кварков.
CBM (FAIR, GSI) и MPD (NICA, Дубна) — эксперименты на среднеэнергетических коллайдерах, ориентированные на область высокой барионной плотности и критической точки.

Физика тяжёлых ионов и кварк-глюонной плазмы предоставляет уникальную возможность для экспериментов на границе возможностей современной науки, соединяя в себе теоретическую квантовую хромодинамику, гидродинамику, термодинамику и астрофизику.