Физика релятивистских тяжелых ионов

Изучение сильно взаимодействующей адронной (КХД) материи становится главным предметом исследования в физике тяжелых ионов высоких энергий, что отражается в общей тенденции последних десятилетий к унификации программ исследований в физике частиц и в ядерной физике.

Прежде всего, это подразумевает понимание диаграмм состояний (фазовых диаграмм) ядерной материи и установления границ, разделяющих разные фазы (т. е. границ, где происходят фазовые переходы — если они вообще происходят, что пока не установлено).

Согласно современным теоретическим представлениям, ожидается, что существуют следующие различные фазы сильно взаимодействующего КХД вещества: адронное вещество, плотное барионное вещество, кварк-глюонная плазма. Возможно, есть и другие фазы.

При низких энергиях исследуется обычная ядерная материя при нормальной (или низкой) плотностях и ее уравнение состояния.

Намного меньше исследована область больших плотностей и/или высоких температур. Именно эта область может быть прощупана с помощью тяжелых ионов высоких энергий. Особо интригующей темой сегодня является вопрос о том, существует ли критическая точка на диаграмме состояний сильно взаимодействующей адронной (КХД) материи (см. рис. 2.8), одна ли она, есть ли нечто вроде тройной точки на фазовой диаграмме.

Эволюция барионной (адронной) материи может заканчиваться на стадии появления «ароматизированного» барионного вещества, обогащенного гиперонами и странными мезонами. Здесь стоит отметить, что стабилизирующая роль странности в ядерной материи сегодня является одной из наиболее интересных и не слишком исследованных тем; яркий пример дают нейтроноизбыточные легчайшие гипер-ядра.

Главный, доступный ныне метод экспериментального изучения сильно взаимодействующей КХД материи — ее образование в процессах неупругого рассеяния ядер. Можно выделить три характерные стадии развития таких процессов во времени (см. рис. 2.10):

• 1. образование сильно взаимодействующей КХД материи,
• 2. ее эволюция (например, от горячего и плотного состояния к разреженному и холодному, где уже могут появиться адроны),

Рис. 2.8. Эволюция представлений о фазовой диаграмме для сильно взаимодействующей КХД материи. Врезка слева вверху — представление теоретиками фазовой диаграммы в 2004 году; врезка справа вверху — та же диаграмма в конце 2005 года; основной рисунок — один из вариантов ожидаемой фазовой диаграммы в середине 2005 года. Абсцисса: барионная плотность, ордината: температура системы (МэВ).

3. адронизация кварков и конденсация КХД материи в адронную и/или ядерную материю.

При смене стадий возможны различные фазовые переходы. Так например, многие теоретические модели, включая вычисления на решетке, указывают, что в области энергий (в системе центра масс, в расчете на нуклон) y/s^N = 4 -i- 9 ГэВ для столкновений, например, Au-Au или U-U, может находиться критическая точка.

Общей для всех этих стадий особенностью является то, что при теоретическом рассмотрении каждой из них с неизбежностью приходится иметь дело с проблемами ненертурбативного характера. В разных типах реакций приходится иметь дело с разными аспектами этих трех стадий.

Например, в любом неупругом рассеянии, рождение частиц происходит в различном окружении. В столкновениях «частицачастица», новые частицы формируются в области, погруженной в физический вакуум, тогда как в ядро-ядерных столкновениях это.

Рис. 2.9. Эволюция представлений о фазовой диаграмме для сильно взаимодействующей КХД материи: результаты расчетов на решетках для фазовой диаграммы (осень 2009 г.). Абсцисса: барионная плотность в относительных единицах, ордината: температура системы в МэВ.

Рис. 2.10. Возможный сценарий эволюции сильно взаимодействующей КХД материи при столкновении релятивистских тяжелых ионов. За начало отсчета времени (произвольно) принят момент, когда линия, соединяющая центры масс сталкивающихся ядер перпендикулярна линии, на которой лежит импульс одного из ядер; начало отсчета пространственных координат совпадает с координатами точки наибольшего сближения сталкивающихся ядер (для симметричного столкновения (одинаковые ядра) она совпадает с координатами центра масс системы двух ядер).

происходит в областях, погруженных в сильно взаимодействующую КХД среду' (где, кстати, некоторые спонтанно нарушенные симметрии могут оказаться восстановленными). Поэтому изменение свойств частиц в сильно взаимодействующей среде становится в настоящее время «горячей» темой: в холодной и горячей, плотной и разреженной материи могут быть разными как структурные функции частиц, так и спектры частиц и/или ширины резонансов; адронизация кварков (рассматриваемая в терминах функций фрагментации) на конечной стадии эволюции КХД вещества также происходит в различном окружении, и т. д. и т. п.

Важная особенность, присущая именно столкновениям релятивистских тяжелых ионов связана с тем, что из-за высокого электрического заряда ядер процессы взаимодействия на кварковом уровне разыгрываются в присутствии сильнейших электромагнитных полей. Теоретические оценки показывают, например, что при столкновениях релятивистских тяжелых ионов могут появляться сильнейшис магнитные ноля (рис. 2.11), на несколько порядков превосходящие магнитные поля астрофизических объектов.

Поэтому вполне возможно, что к перечисленным выше стадиям развития во времени процессов неупругого взаимодействия ядер следует добавить стадию «предварительной подготовки» ядерной материи к собственно сильному взаимодействию (рис. 2.10), на которой протонная и нейтронная составляющие каждого из ядер, участвующих в столкновении, разделяются (из-за кулоновского расталкивания) и поляризуются (из-за появления сверхсильных магнитных нолей и разного знака магнитных моментов нейтронов и протонов). Какие эффекты могут возникать при этом на начальной стадии образования сильно взаимодействующей КХД материи, равно как и при ее эволюции в присутствии сверхсильных электромагнитных полей, пока неясно. Более того, далеко не очевидно, что здесь применимы традиционные пертурбативные подходы к рассмотрению электромагнитных взаимодействий (см. в этой связи книгу [21]).

Рис. 2.11. Характерные напряженности магнитного поля в природных объектах.

Рис. 2.12. Инструменты для релятивистской ядсрной физики (или физики релятивистских тяжелых ионов): от Синхрофазотрона ОИЯИ до LHC (ЦЕРН), НИКА (ОИЯИ), FAIR (GSI).

Т. о. главные темы исследований в области тяжелых ионов высоких энергий в настоящее время представляются следующими:

• • исследование свойств адронов в ядерной и плотной барионной (адронной) среде,
• • определение уравнения состояния адронной материи,
• • поиск фазовых переходов и возможной КХД-критической точки (или точек),
• • свойства ядерной (адронной) материи при высоких плотностях вещества и энергии,
• • поиск возможных сигналов деконфайнмента и/или восстановления киральной симметрии,
• • исследование электродинамических явлений в сверхсильных электромагнитных полях, возникающих при столкновениях тяжелых ядер.

Можно с уверенностью утверждать, что экспериментальное изучение в ядро-ядерных столкновениях горячей и плотной, сильно взаимодействующей материи с поиском сигналов о смешанной фазе и критической точке (или точках) будет в ближайшие десятилетия главным стратегическим направлением в физике тяжелых ионов высоких энергий и физике элементарных частиц.

Это направление естественным образом выросло из исследований, начатых в ОИЯИ еще на Синхрофазотроне (рис. 2.12) и продолжающихся в других центрах.