Plasma de quarks și gluoni

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Plasma quark-gluon (QGP, din plasma quark-gluon) este o stare de cromodinamică cuantică (QCD) care există doar la temperaturi și / sau densitate extrem de ridicată. Se crede că întregul univers va fi găsit în starea QGP în primele 20-30 de microsecunde ale existenței sale, sau chiar după Big Bang .

Plasma quark-gluon poate fi recreată în laborator prin ciocnirea nucleelor ​​de atomi grei la energii ultrarelativistiche . Rezultatele unor astfel de experimente, efectuate la Synchrotron Super Proto al CERN din Geneva în anii 80 și 90, au permis CERN să anunțe în 2000 descoperirea unei „noi stări a materiei” [1] .

În prezent, patru experimente la RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) la Laboratorul Național Brookhaven continuă acest efort. Odată cu intrarea în funcțiune a LHC ( Large Hadron Collider ) la CERN, alte experimente au fost adăugate la căutare; unul dintre ei ( ALICE ) este conceput special pentru studiul QGP, chiar dacă participă la experimentele CMS și ATLAS .

Descriere

QGP conține quarks și gluoni , precum și materie obișnuită constând din hadroni . Diferența dintre aceste două stări ale QCD este că, în materia normală, fiecare quark este cuplat cu propriul său antiquark pentru a forma un mezon sau se alătură cu alți doi quark pentru a forma un barion (cum ar fi protonul și neutronul ). Cu toate acestea, în QGP, acești mezoni și barioni își pierd identitatea și formează o masă mult mai mare de quark și gluoni. În materie normală, quark-urile sunt limitate , în QGP, în schimb, sunt libere să se deplaseze în plasmă.

O plasmă este un fel de materie în care sarcinile sunt protejate, datorită prezenței altor sarcini în mișcare; cu alte cuvinte, legea lui Coulomb este modificată, iar încărcarea reală a bateriei se dovedește a fi dependentă de distanță. În încărcarea de culoare QGP a quarkurilor și gluonilor, este într-un ecran similar. QGP are alte asemănări cu plasma normală. Dar există unele diferențe datorate faptului că încărcarea culorii este non- abeliană, în timp ce sarcina electrică este abeliană .

O consecință a acestei diferențe este că sarcina de culoare este prea mare pentru calculul perturbativ care stă la baza electrodinamicii cuantice . Rezultatul este că principalul instrument teoretic pentru explorarea QGP este teoria gabaritului de rețea și corespondență AdS / CFT (anti de Sitter / spațiu teoretic al câmpului conformal). Temperatura de tranziție (aproximativ 170 MeV ) a fost prezisă pentru prima dată de la teoria gabaritului pe rețea. Această teorie a fost folosită de atunci pentru a prezice multe alte proprietăți ale acestei stări a materiei.

Producția în laborator

QGP poate fi produs prin aducerea materiei la o temperatură critică de 170 MeV. Acest lucru se poate face în laborator prin ciocnirea a doi nuclei atomici cu energie ridicată. Nucleii de aur și plumb au fost folosiți la CERN și la BNL ( Brookhaven National Laboratory ). Volumul rezultat din căldură se numește minge de foc (minge de foc). Odată creată, mingea de foc se extinde prin activitatea propriei presiuni, iar expansiunea se răcește: când ajungeți la o temperatură mai mică decât temperatura critică, quarcii se recombină în barioni și mezoni. Studiind cu atenție particulele emise ca urmare a acestor procese, experimentatorii speră să măsoare proprietățile QGP. În special, se crede că are semnale semnificative asupra formării acestei stări a materiei prin studierea fotonilor și bileptonului emise de QGP termalizat.

QGP și QCD

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: cuantica cromodinamică .

Cromodinamica cuantică (QCD) face parte din teoria modernă a fizicii particulelor numită Model Standard . Alte părți ale teoriei referitoare la „ interacțiunile electrovarabe și neutrinii . Teoria electrodinamică a fost verificată experimental și este corectă, cu o marjă de eroare de câteva puncte de un milion. Teoria interacțiunii slabe a fost verificată experimental și este corectată cu o marjă de eroare de câteva puncte din o mie. Aspectele perturbative ale QCD au fost verificate experimental și sunt corectate cu o marjă de eroare de câteva puncte procentuale. În schimb, testele asupra aspectelor non-perturbative ale QCD abia încep. Studiul QGP face parte din acest efort de consolidare a marii teorii a fizicii particulelor.

Studiul QGP este, de asemenea, o zonă de testare pentru teoria câmpului finit de temperatură, o ramură a fizicii teoretice care urmărește să înțeleagă fizica particulelor în condiții de temperatură ridicată. Aceste studii sunt importante pentru a înțelege evoluția universului nostru în primele momente ale existenței sale, aproximativ primele 100 de microsecunde. Deși acest lucru pare oarecum ezoteric, acest studiu este crucial în scopuri fizice ale unei noi generații de observații a universului, cum ar fi WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), un satelit al NASA care are sarcina de a scana cerul pentru a măsura temperatura căldura radiantă lăsată de Big Bang ) și succesorii săi.

Proprietăți așteptate

Termodinamica

Trecerea temperaturii de la normal la cea a stării QGP este de aproximativ 155 MeV, corespunzând unei densități de energie de 1-3 GeV / fm³. Pentru materia relativistă, presiunea și temperatura nu sunt variabile independente, astfel încât „ ecuația de stare este o relație între densitatea energiei și presiunea. Acest fapt a fost descoperit folosind calculul pe rețea (calculul rețelei) și apare atât în teoria perturbației, cât și în teoria șirurilor . Aceasta este încă o chestiune de cercetare activă. Funcțiile de răspuns, cum ar fi căldura specifică și diferitele variații posibile ale numărului de quarks sunt în prezent studiate.

curgere

Ecuația de stare este o dată importantă a ecuațiilor de flux. Viteza sunetului este în prezent studiată sub profilul calculului de pe rețea. Calea liberă medie (acest termen indică distanța medie parcursă de o particulă între două coliziuni consecutive cu alte particule: de exemplu, între moleculele dintr-un gaz) de quarks și gluoni a fost calculată utilizând teoria perturbării, precum și teoria șirurilor. Calculul pe rețeaua din acest câmp a fost mai lent, deși un prim calcul al coeficienților de transport a fost finalizat recent. Acest lucru ar indica faptul că timpul liber mediu al quarcurilor și gluonilor din QGP poate fi comparat cu timpul necesar pentru a acoperi o lungime egală cu distanța medie interparticulă: aceasta înseamnă că, din punctul de vedere al proprietăților de curgere, QGP este un lichid. . Acesta este un domeniu de cercetare foarte activ și rezultatele pot evolua foarte repede. Includerea fenomenelor de disipare în hidrodinamică este o altă dezvoltare recentă, care face, de asemenea, obiectul unor studii intense.

Spectrul de excitație

QGP conține cuarci și gluoni liberi? Studiile de termodinamică și proprietăți de curgere ar părea să indice că aceasta este o simplificare a conceptului. Multe propuneri evoluează în prezent și vor fi testate în viitorul apropiat. Recent s-a teoretizat că unii mezoni construiți din quark greu (tastați quarkul farmec ) nu se dizolvă până când nu se atinge o temperatură de 350 MeV. Acest lucru ne-a permis să credem că multe alte tipuri de stări legate pot exista în plasmă. Unele proprietăți statice plasmatice (similare cu lungimea de screening Debye) constrâng spectrul de excitație.

Experimentele în desfășurare

Aspectele QGP care sunt mai ușor de calculat nu sunt la fel de ușor de măsurat experimental: deși proprietățile mingii de foc (mingea de foc) produse la RHIC ( Relativistic Heavy Ion Collider lângă New York) sunt explicate prin presupunerea existenței QGP, aceasta este principala barieră care vă împiedică să anunțați observarea efectivă a plasmei.

Cele mai importante observabile studiate de experimentele în curs sunt:

  • Spectre de particule unice ( fotoni și bilepton iradiați din QGP termalizat);
  • Producerea ciudățeniei;
  • Viteza producției de fotoni și muoni (și suprimarea J / ψ);
  • Flux eliptic;
  • Jet Quenching (efect observat pentru prima dată direct la CERN în noiembrie 2010);
  • Fluctuații ale taxelor conservate;
  • Efectul și corelațiile Hanbury-Brown și Twiss.

Pentru mai multe detalii, consultați site-ul web al RHIC [2] și experimentul ALICE la CERN.

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Fizică Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica