Новое состояние материи: Кварк-глюонная плазма Сгусток ранней Вселенной В лаборатории
advertisement
Новое состояние материи: Кварк-глюонная плазма или Сгусток ранней Вселенной В лаборатории В.И.Захаров МФТИ 1 июля 2011 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 ядро mp ≈ mn Протон mu,d ≈ 3..5 MeV mp ≈ 1000 MeV SU(3) glu Сила между кварком и антикварком 12 тонн!!! e 2qQCD (2+1)QCD SU(2) glue 2qQCD (2+1)QCD Трёхчастичные силы V ( r 1 ,r2 ,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 T (10 ) C 12 0 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 t E E • Передавая , превращаем виртуальное состояние в реальное • Как воссоздать сейчас кусок реальной Вселенной? • - Передать нужное количество энергии • E в соответствующем объёме V • Что мы знаем о Вселенной? • 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 2/3 • Площадь ядра = (атомный номер) (площадь протона) • 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 t ~ E • При фиксированном E t t • Сработало t t и неожиданно найдено сильное взаимодействие, быстрая термализация • (листы стекла переплавили и перешли в другое стекло) • Итак, на RHIC воспроизвели сгусток Вселенной в момент Т 10 6 с Что узнали о Вселенной? Что реально наблюдается? • - Обычные частицы • Плазма рождается, охлаждается и распадается за. Всё за 1021 сек ! Температура плазмы • Как измерить температуру за 10 21 сек . Принцип тот же, что обычно: чем выше температура, тем сильнее светит. Формула Планка • Интенсивность на единицу площади измерения 2h 3 1 I ( , T ) 2 h / kT c e 1 • Где -частота, T - температура, h, k - константы. • Фотоны уходят далеко без потери энергии и регистрируются в детекторах. • Так избегают 1021 сек • Есть целая функция частоты – проверка термического равновесия 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 1 v ( v ) v vv P t x F A y • Здесь - динамическая, а - кинематическая вязкость. v 1 s 4 k B - постоянная планка, k B -постоянная • Получается, что Больцмана, s – энтропия единицы объёма. • 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 s было известно только для жидкого гелия • Жидкий гелий T ~ 2o K • Кварк-глюонная плазма T ~ 1012 oC • Температуры отличаются в 1012 раз! Итог (предварительный) • Воссозданы условия ранней Вселенной 6 t Всел 10 сек • Новая квантовая жидкость при 12 температуре в 10 раз больше чем для жидкого гелия • Пересмотрены программы строительства ускорителей, учебных программ. Московский физико-технический институт Факультет 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 6 времени t ~ 10 сек от Большого взрыва • Утверждение: Вселенная была горячей, квантовой жидкостью.
