Кварковая материя или материя КХД ( квантовая хромодинамика ) относится к любой из множества гипотетических фаз материи, степени свободы которых включают кварки и глюоны , ярким примером которых является кварк-глюонная плазма . [1] Этой теме было посвящено несколько серий конференций в 2019, 2020 и 2021 годах. [2] [3] [4]
Кварки высвобождаются в кварковую материю при чрезвычайно высоких температурах и/или плотностях, и некоторые из них все еще являются лишь теоретическими, поскольку для них требуются настолько экстремальные условия, что их невозможно произвести ни в одной лаборатории, особенно в равновесных условиях. В этих экстремальных условиях привычная структура материи , основными составляющими которой являются ядра (состоящие из нуклонов , являющихся связанными состояниями кварков) и электроны, нарушается. В кварковой материи правильнее рассматривать сами кварки как основные степени свободы.
В стандартной модели физики элементарных частиц сильное взаимодействие описывается теорией КХД . При обычных температурах или плотностях эта сила просто удерживает кварки в составных частицах ( адронах ) размером около 10–15 м = 1 фемтометр = 1 фм (что соответствует энергетической шкале КХД Λ КХД ≈ 200 МэВ ), и ее эффекты не заметны при обычных температурах или плотностях. более длинные расстояния.
Однако, когда температура достигает энергетической шкалы КХД ( T порядка 10 12 кельвинов ) или плотность возрастает до точки, где среднее расстояние между кварками составляет менее 1 фм ( химический потенциал кварков μ около 400 МэВ), адроны становятся расплавляются на составляющие их кварки, и сильное взаимодействие становится доминирующей чертой физики. Такие фазы называются кварковой материей или материей КХД.
Сила цветовой силы делает свойства кварковой материи отличными от газа или плазмы, вместо этого приводя к состоянию материи, более напоминающему жидкость. При высоких плотностях кварковая материя представляет собой ферми-жидкость , но, по прогнозам, она будет проявлять цветную сверхпроводимость при высоких плотностях и температурах ниже 10 12 К.
КХД в непертурбативном режиме : кварковая материя . Уравнения КХД предсказывают, что море кварков и глюонов должно образоваться при высокой температуре и плотности. Каковы свойства этой фазы вещества ?
В настоящее время не наблюдалось ни одной звезды со свойствами, ожидаемыми от этих объектов, хотя были представлены некоторые свидетельства наличия кварковой материи в ядрах крупных нейтронных звезд. [7]
Лабораторные эксперименты показывают, что неизбежное взаимодействие с ядрами тяжелых благородных газов в верхних слоях атмосферы приведет к образованию кварк-глюонной плазмы.
Несмотря на то, что кварк-глюонная плазма может возникнуть только в весьма экстремальных условиях температуры и/или давления, она активно изучается на коллайдерах частиц , таких как Большой адронный коллайдер LHC в ЦЕРН и релятивистский коллайдер тяжелых ионов RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории .
В этих столкновениях плазма возникает лишь в течение очень короткого времени, прежде чем она самопроизвольно распадается. Физические характеристики плазмы изучаются путем обнаружения обломков, исходящих из области столкновения, с помощью детекторов крупных частиц [11] [12]
Столкновения тяжелых ионов при очень высоких энергиях могут создавать небольшие кратковременные области пространства, плотность энергии которых сравнима с плотностью энергии Вселенной, существовавшей 20 микросекунд . Это было достигнуто за счет столкновения тяжелых ядер, таких как ядра свинца , на высоких скоростях, а первое заявление об образовании кварк-глюонной плазмы поступило от ускорителя SPS в ЦЕРН в феврале 2000 года. [13]
Эта работа была продолжена на более мощных ускорителях, таких как RHIC в США, а с 2010 года — на европейском БАК в ЦЕРН, расположенном в приграничной зоне Швейцарии и Франции. Имеются веские доказательства того, что кварк-глюонная плазма также создавалась в RHIC. [14]
Контекстом для понимания термодинамики кварковой материи является стандартная модель физики элементарных частиц, которая содержит шесть различных разновидностей кварков, а также лептоны , такие как электроны и нейтрино . Они взаимодействуют через сильное взаимодействие , электромагнетизм , а также через слабое взаимодействие , которое позволяет одному виду кварка превращаться в другой. Электромагнитные взаимодействия происходят между частицами, несущими электрический заряд; Между частицами, несущими цветовой заряд, происходят сильные взаимодействия .
Правильная термодинамическая трактовка кварковой материи зависит от физического контекста. Для больших величин, существующих в течение длительных периодов времени («термодинамический предел»), мы должны принять во внимание тот факт, что единственными сохраняющимися зарядами в стандартной модели являются число кварков (эквивалентное барионному числу), электрический заряд, восьмерка цветов заряды и лептонное число. Каждый из них может иметь связанный химический потенциал. Однако большие объемы вещества должны быть электрически и нейтральными по цвету, что определяет химические потенциалы электрического и цветового заряда. В результате остается трехмерное фазовое пространство , параметризованное химическим потенциалом кварков, химическим потенциалом лептонов и температурой.
В компактных звездах кварковая материя занимала бы кубические километры и существовала бы миллионы лет, поэтому термодинамический предел вполне уместен. Однако нейтрино улетают, нарушая лептонное число, поэтому фазовое пространство для кварковой материи в компактных звездах имеет только два измерения: температуру ( T ) и химический потенциал числа кварков μ. Странгелет не находится в термодинамическом пределе большого объема, поэтому он подобен экзотическому ядру: он может нести электрический заряд.
Столкновение тяжелых ионов не находится ни в термодинамическом пределе больших объемов, ни в длительных временах. Оставляя в стороне вопросы о том, достаточно ли он уравновешен для применимости термодинамики, очевидно, что времени для возникновения слабых взаимодействий явно недостаточно, поэтому аромат сохраняется, и существуют независимые химические потенциалы для всех шести ароматов кварков. Начальные условия ( прицельный параметр столкновения, число верхних и нижних кварков в сталкивающихся ядрах и отсутствие в них кварков других ароматов) определяют химические потенциалы. (Ссылка на этот раздел: [15] [16] ).
Фазовая диаграмма кварковой материи малоизвестна ни экспериментально, ни теоретически. Обычно предполагаемая форма фазовой диаграммы показана на рисунке справа. [15] Это применимо к материи в компактной звезде, где единственными соответствующими термодинамическими потенциалами являются химический потенциал кварков μ и температура T.
Для справки также показаны типичные значения μ и T при столкновениях тяжелых ионов и в ранней Вселенной. Читателям, не знакомым с понятием химического потенциала, полезно думать о μ как о мере дисбаланса между кварками и антикварками в системе. Более высокое значение µ означает более сильное смещение в пользу кварков по сравнению с антикварками. При низких температурах антикварков нет, и тогда более высокое значение µ обычно означает более высокую плотность кварков.
Обычная атомная материя, как мы ее знаем, на самом деле представляет собой смешанную фазу, капли ядерного вещества (ядра), окруженные вакуумом, который существует на низкотемпературной фазовой границе между вакуумом и ядерной материей, при μ = 310 МэВ и T , близком к нулю. Если мы увеличим плотность кварков (т.е. увеличим ц), сохраняя низкую температуру, мы перейдем в фазу все более и более сжатой ядерной материи. Следование этому пути соответствует все более глубокому погружению в нейтронную звезду .
В конце концов, при неизвестном критическом значении ц происходит переход к кварковой материи. При сверхвысоких плотностях мы ожидаем обнаружить фазу цветной сверхпроводящей кварковой материи (CFL) . При промежуточных плотностях мы ожидаем появления некоторых других фаз (обозначенных на рисунке «кварковая жидкость, не относящаяся к КЛЛ»), природа которых в настоящее время неизвестна. [15] [16] Это могут быть другие формы цветной сверхпроводящей кварковой материи или что-то другое.
Теперь представьте, что мы начинаем с нижнего левого угла фазовой диаграммы, в вакууме, где µ = T = 0. Если мы нагреем систему, не отдавая предпочтение кваркам перед антикварками, это соответствует движению вертикально вверх вдоль оси T. Сначала кварки все еще удерживаются, и мы создаем газ адронов ( в основном пионов ). Затем около Т = 150 МэВ происходит переход к кварк-глюонной плазме: тепловые флуктуации разрушают пионы, и мы обнаруживаем газ кварков, антикварков и глюонов, а также более легкие частицы, такие как фотоны, электроны, позитроны и т. д. Следование этому пути соответствует путешествию в далёкое прошлое (так сказать), в состояние Вселенной вскоре после Большого взрыва (где кварки имели очень незначительное преимущество перед антикварками).
Линия, которая поднимается вверх от перехода ядерной материи в кварковую, а затем изгибается обратно к оси T , а ее конец отмечен звездочкой, является предполагаемой границей между ограниченной и неограниченной фазами. До недавнего времени считалось, что это граница между фазами, в которых киральная симметрия нарушена (низкая температура и плотность), и фазами, в которых она не нарушена (высокая температура и плотность). Теперь известно, что фаза CFL демонстрирует нарушение киральной симметрии, а другие фазы кварковой материи также могут нарушать киральную симметрию, поэтому неясно, действительно ли это линия кирального перехода. Линия заканчивается в «хиральной критической точке », отмеченной звездочкой на этом рисунке, которая представляет собой особую температуру и плотность, при которой ожидаются поразительные физические явления, аналогичные критической опалесценции . (Ссылка на этот раздел: [15] [16] [17] ).
Для полного описания фазовой диаграммы необходимо иметь полное представление о плотной, сильно взаимодействующей адронной материи и сильно взаимодействующей кварковой материи из некоторой базовой теории, например, квантовой хромодинамики (КХД). Однако, поскольку такое описание требует правильного понимания КХД в ее непертурбативном режиме, который еще далек от полного понимания, любое теоретическое продвижение остается очень сложной задачей.
Фазовая структура кварковой материи остается в основном предположительной, поскольку трудно выполнить расчеты, предсказывающие свойства кварковой материи. Причина в том, что КХД, теория, описывающая доминирующее взаимодействие между кварками, сильно связана при плотностях и температурах, представляющих наибольший физический интерес, и, следовательно, на ее основе очень трудно получить какие-либо предсказания. Ниже приведены краткие описания некоторых стандартных подходов.
Единственным доступным в настоящее время инструментом расчета на основе первых принципов является решеточная КХД , то есть компьютерные вычисления методом грубой силы. Из-за технического препятствия, известного как проблема знака фермионов , этот метод можно использовать только при низкой плотности и высокой температуре (μ < T ), и он предсказывает, что переход в кварк-глюонную плазму произойдет около T = 150 МэВ [ 18] Однако его нельзя использовать для исследования интересной структуры цветной сверхпроводящей фазы при высокой плотности и низкой температуре. [19]
Поскольку КХД асимптотически свободна, она становится слабо связанной при нереально высоких плотностях, и можно использовать диаграммные методы. [16] Такие методы показывают, что фаза КЛЛ возникает при очень высокой плотности. Однако при высоких температурах диаграммные методы еще не полностью контролируются.
Чтобы получить приблизительное представление о том, какие фазы могут произойти, можно использовать модель, которая имеет некоторые из тех же свойств, что и КХД, но которой легче манипулировать. Многие физики используют модели Намбу-Йона-Лазинио , которые не содержат глюонов, и заменяют сильное взаимодействие четырехфермионным взаимодействием . Для анализа фаз обычно используются методы среднего поля. Другой подход — модель мешка , в которой эффекты удержания моделируются аддитивной плотностью энергии, которая наказывает неограниченную кварковую материю.
Многие физики просто отказываются от микроскопического подхода и делают обоснованные предположения об ожидаемых фазах (возможно, на основе результатов модели НИЛ). Затем для каждой фазы они записывают эффективную теорию низкоэнергетических возбуждений с использованием небольшого числа параметров и используют ее для предсказаний, которые могут позволить зафиксировать эти параметры с помощью экспериментальных наблюдений. [17]
Существуют и другие методы, которые иногда используются для прояснения света в области КХД, но по разным причинам пока не дали полезных результатов в изучении кварковой материи.
Считайте количество цветов N , которое на самом деле равно 3, большим числом и разложите его по степеням 1/ N . Оказывается, при высокой плотности поправки более высокого порядка велики, и разложение дает неверные результаты. [15]
Добавление к теории скалярных кварков (скварков) и фермионных глюонов (глюино) делает ее более понятной, но термодинамика кварковой материи решающим образом зависит от того факта, что только фермионы могут нести кварковое число, и от числа степеней свободы в целом.
Экспериментально сложно составить карту фазовой диаграммы кварковой материи, поскольку было довольно сложно научиться настраиваться на достаточно высокие температуры и плотности в лабораторном эксперименте, используя столкновения релятивистских тяжелых ионов в качестве экспериментальных инструментов. Однако эти столкновения в конечном итоге дадут информацию о переходе от адронной материи к КГП. Было высказано предположение, что наблюдения компактных звезд также могут ограничить информацию о низкотемпературной области с высокой плотностью. Модели охлаждения, замедления вращения и прецессии этих звезд дают информацию о соответствующих свойствах их недр. Поскольку наблюдения становятся более точными, физики надеются узнать больше. [15]
Одной из естественных тем будущих исследований является поиск точного местоположения киральной критической точки. Некоторые амбициозные расчеты решеточной КХД, возможно, нашли подтверждение этому, и будущие расчеты прояснят ситуацию. Столкновения тяжелых ионов могли бы измерить его положение экспериментально, но для этого потребуется сканирование в диапазоне значений ц и Т. [20]
В 2020 году были представлены доказательства того, что ядра нейтронных звезд массой ~2 M⊙ , вероятно, состоят из кварковой материи. [7] [21] Их результат был основан на приливной деформации нейтронной звезды во время слияния нейтронных звезд , измеренной гравитационно-волновыми обсерваториями , что привело к оценке радиуса звезды в сочетании с расчетами уравнения состояния, связывающего давление и энергию. плотность ядра звезды. Свидетельства были весьма убедительными, но не доказали окончательно существование кварковой материи.