29 января 2008 г.

Фазовая диаграмма сильновзаимодействующей материи

В архиве епринтов появился небольшой и довольно простой обзор про свойства ядерной материи The Phase Diagram of Strongly-Interacting Matter. Тема, конечно, не новая, её уже больше 40 лет, но в последние годы тут было немало новых результатов, и обзор кратко их все обрисовывает.

Начинают авторы с очень простых вещей. Они напоминают, что обычные вещества при повышении давления и температуры могут испытывать фазовые переходы -- превращения из одного типа внутреннего устройства в другой (затвердевание жидкости или перестройка кристаллической решетки из более ажурной в более компактную). Если повышать давление и температуру дальше, то вещество начинает ионизовываться, т.е. переходит в состояние плазмы. При дальнейшем увеличении температуры происходит полная ионизация вещества, и в результате получается газ атомных ядер и газ электронов.

Информация о химических свойствах исходного вещества полностью стирается, однако остается информация о том, какие элементы составляли это вещество.

При еще большем повышении температуры и давления с газом атомных ядер начинаются происходить интересные явления. Когда кинетическая энергия ядер достигает МэВ (т.е. температура повышается до десятков миллиардов градусов), начинается тепловая диссоциация ядер. При этом стирается информация и об элементном составе исходного вещества -- набор элементов сам получается из условий термодинамического равновесия. (Кстати, интересная фаза такого вещества -- газ с большой долей альфа-частиц, см. заметку Альфа-частицы: элементарные капли ядерного вещества). Однако пока сохраняется относительная концентрация протонов/нейтронов.

При повышении температуры до 100 МэВ (триллион градусов) происходит еще более необычная вещь. Тогда в столкновениях протонов и нейтронов начинают рождаться разнообразные адроны: пионы, каоны, тяжелые гипероны, и их античастицы тоже. Получается газ адронов. Тут теряется вообще всякая информация о начальном веществе, и материя переходит в некое "универсальное" состояние. Т.е. просто состояние вещества при данной температуре, давлении и химпотенциале (поскольку число частиц уже не сохраняется, хим.потенциал становится важным параметром).

Первая попытка теоретического описания этого универсального состояния сильно-взаимодействующей материи была сделана Хагедорном еще в начале 1960-х годов, до того, как была разработана кварковая модель. Она привела к парадоксальному выводу, что в таком адронном газе должна быть некая максимальная температура. Такой адронный газ имеет бесконечную теплоемкость: если пытаться "подогревать" его дальше, то вся привнесенная энергия потратится на рождение новых частиц (коих становится всё больше и больше сортов), но не на увеличение их кинетической энергии.

Но мы знаем, что в ранней Вселенной существовали и более высокие температуры, откуда следует, что при температурах, близких к критической температуре, с адронным газом должно происходить нечто, что текущая (на тот момент) теория не ухватывала. Сейчас можно даже сказать, что это был один из намеков на то, что адроны обладают некоторой структурой.


С приходом кварковой модели стало понятно, что примерно при такой температуре происходит деконфайнмент. Адронов становится так много, что они начинают пространственно перекрываться, их кварки начинают обобществляться, и при превышении некоторого порога происходит типичный перколяционный фазовый переход -- кварки и глюоны могут свободно перемещаться по всему объему. Т.е. уже нет адронов, есть кварк-глюонная плазма. Дополнительная энергия уже может вкладываться в отдельные кварки и глюоны (ведь число их сортов невелико) -- и значит температура растет.

Исследования в последние годы -- как теоретические (модели, КХД на решетках), так и экспериментальные (ускорители тяжелых ионов, в особенности RHIC) -- показали, что даже в таком казалось бы простом веществе всё очень непросто. Например, в согласии с недавнии расчетами в рамках модели Намбу-Йона-Лазинио на фазовой диаграмме кварк-глюооной плазмы могут быть свыше десятка разных фаз, многие из которых сверхпроводящи, что имеет прямое отнощение к физике нейтронных звезд.

Среди экспериментальных результатов RHIC интересно подтверждение, по сути, результата Хагедорна о существовании максимальной температуры до перехода в кварк-глюонную плазму.

Обзор ограничивается областями температуры и химпотенциала в несколько сотен МэВ, и потому в нем совсем не обсуждается, что происходит с веществом (кварк-глюооной плазмой) при еще больших температурах (в момент столкновения ядер в RHIC плотность энергии в центра достигает 10 ГэВ/фм^3, что отвечает темперурам в сотни триллионов градусов). Это совсем новая область, ключевые слова тут "конденсат цветового стекла" и "глазма" (см. например статью hep-ph/0602189).

См. также популярную заметку Вскипают ли ядра при ядерных реакциях? и ссылки в ней.

1 комментарий:

  1. Анонимный14/1/10 08:04

    Оч интересно! Игорь, что-нибудь новое в области появилось?

    ОтветитьУдалить