МФТИ 1 июля 2011

Новое состояние материи:Кварк-глюонная плазма

илиСгусток ранней Вселенной

В лаборатории

В.И.Захаров

Объяснение терминов

Обычная плазма – состояние, в котором есть свободные

электроны и ионы ( а не атомы)

Примеры плазмы (картинки).

Кварки и глюоны

• Составляющие протонов, нейтронов• Свободных кварков и глюонов вокруг

нас нет.

Атом me ≈ 0.5 MeV

mn ≈ 1000 MeV

Атомное ядроmp ≈ mn

Протон

mp ≈ 1000 MeV

mu,d ≈ 3..5 MeV

SU(3) gluСила между кварком и антикварком 12 тонн!!!

e 2qQCD (2+1)QCD

SU(2) glue 2qQCD (2+1)QCDТрёхчастичные силы

V ( r 1 ,r 2 ,r 3)≠V ( r 1− r 2)+V ( r 2− r 3)+V ( r 3− r 1 )

Кварк-глюонная плазма:

• В плазме кварки и глюоны не связаны в протоны, нейтроны.

• Связи между ними разорваны температурой

CT 012 )10(

Открытие: где, когда?

• 2005 год, Брукхевен, США На коллайдере релятивистских ядер RHIC (Brookhaven Nat.Lab.)

• Подтверждено наблюдение плазмы ЦЕРН (Женева). Большой адронный коллайдер, 2010-2011. (Первые указания ЦЕРН, 2000)

План лекции:

• Будем следовать видеоролику из Брукхевена

Содержание ролика

• Система ускорителей• Столкновение ядер золота• Кварки в ядрах• Рождение «цветной» плазмы• Плазма, как жидкость

Почему ускорители?

• Сталкивают частицы с большой энергией.

• В классической физике: разбиваем на малые части, смотрим, из чего состоит

Виртуальный мир

• В квантовой механике: рождаются новые частицы, то, чего не было. Т.е. не только высвобождаются кварки из ядер.

• На очень короткое время частица бывает не самой собой

• Передавая , превращаем виртуальное состояние в реальное

Et

E

• Как воссоздать сейчас кусок реальной Вселенной?

• - Передать нужное количество энергии • в соответствующем объёме

• Что мы знаем о Вселенной?

E V

• Такие энергии доступны давно.• Проблема: создать такую плотность

энергии в достаточно большом объёме. (Вселенная «однородна», разлетается не из точки!)

• Поэтому ускоряют объёмные ядра, а не протоны

• Площадь ядра = (атомный номер) (площадь протона)

3/2

• Проблема «блинов» (pancakes)

• Лоренцево сжатие• (глубина)=

(радиус ядра)(масса ядра)/(энергия ядра)

«Отец» RHIC

• Казалось бы, нет смысла сталкивать «два листа стекла»

• Ответственность, основанная на интуиции. Т.Д. Ли…

• Оправдалось результатом.

• Tsino, Dao Lee• 1926, Нобелевская премия 1957 г.,

вместе с Янгом (C. N. Yang)

Почему вообще возможно?

• Есть квантовый эффект

• При фиксированном

Et

~

E

tt

• Сработало и неожиданно найдено сильное взаимодействие, быстрая термализация

• (листы стекла переплавили и перешли в другое стекло)

tt

• Итак, на RHIC воспроизвели сгусток Вселенной в момент

Что узнали о Вселенной?

сТ 610

Что реально наблюдается?

• - Обычные частицы• Плазма рождается, охлаждается и

распадается за. Всё за !сек2110

Температура плазмы

• Как измерить температуру за . Принцип тот же, что обычно: чем выше температура, тем сильнее светит.

сек2110

Формула Планка

• Интенсивность на единицу площади измерения

• Где -частота, - температура, - константы.

1

12),(

/2

3

kThec

hTI

T kh,

• Фотоны уходят далеко без потери энергии и регистрируются в детекторах.

• Так избегают • Есть целая функция частоты – проверка

термического равновесия

сек2110

Плазма как жидкость

• Важнейшие эффекты:• Эллиптический поток (elliptic flow)• Тушение струй (Jet quenching)

Эллиптический поток

• В чём состоит эффект эллиптичности потока?

• По короткой оси – более энергичные частицы. Почему?

• Ответ: градиент давления больше по малой оси

• Не наблюдалось бы в случае газа частиц

Тушение струй

• Эффект состоит в «исчезновении» импульса отдачи энергичной частицы

• Наблюдается только на ядрах

Как померить вязкость?

Взглянем на распределение частиц

Похоже на сплошную среду

Уравнения классической гидродинамики

• Применение уравнений гидродинамики

• Здесь - динамическая, а - кинематическая вязкость.

Pvt

1

vv)v(v

yAF x

v

• Получается, что

- постоянная планка, -постоянная Больцмана, s – энтропия единицы объёма.

Bks

4

1

Bk

• Этот результат очень важен, так как совпадает с нижним теоретическим пределом для вязкости

(принцип неопределённости).• Следовательно, кварк-глюонная плазма

– квантовая жидкость, несмотря на огромную температуру.

Сходства со свойствами жидкого гелия

• Раньше такое низкое значение

было известно только для жидкого гелия• Жидкий гелий • Кварк-глюонная плазма• Температуры отличаются в раз!

s

CT o1210~

KT o2~

1210

Итог (предварительный)

• Воссозданы условия ранней Вселенной

• Новая квантовая жидкость при температуре в раз больше чем для жидкого гелия

• Пересмотрены программы строительства ускорителей, учебных программ.

секtВсел610

1210

Московский физико-технический институтФакультет общей и прикладной физики

кафедра теоретической астрофизики и проблем термоядерной физики

Специализация: квантовая гравитация и калибровочные поля

Базовая организация "Государственный Научный Центр Российской

Федерации - Институт Теоретической и Экспериментальной

Физики" Москва, ул. Большая Черемушкинская, 25

Руководит новой специализацией всемирно известный физик - теоретик Валентин Иванович Захаров

Наш студент это тот, кому интересна теоретическая физика и/или информатика и/или математическая физика и/или суперкмпьютеры (или все вместе).

• Итак• Воспроизвели Вселенную в момент

времени от Большого взрыва

• Утверждение: Вселенная была горячей, квантовой жидкостью.

секt 610~