В.Н. Пенев

О возможности "нового" состояния материи

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна" N15 (2000)

    В конце прошлого года, главным образом, на основе результатов семи больших экспериментов ЦЕРН по программе взаимодействий релятивистских ядер и теоретического осмысления этих результатов, на научных семинарах было заявлено о существовании некоего нового состояния материи в ядрах, которое затем и все смелее называется кварк-глюонной плазмой.
    Рассмотрим кратко основные экспериментальные результаты, сигнализующие о появлении этого "нового" состояния материи.

Число "участников" в столкновении растет. Сильно и нелинейно возрастает количество участвующих во взаимодействии нуклонов, входящих в состав сталкивающихся ядер в зависимости от "центральности" столкновения и достигает, например, величины в 360 нуклонов в случае взаимодействий свинец-свинец при 158 ГэВ на нуклон. Это производит впечатление. Тем более, что при "центральном ударе" велики поперечные импульсы рожденных частиц, а это, в свою очередь, означает, что при их образовании работают уже не нуклоны, а кварки. Сильно возрастет в этом случае и множественность рожденных частиц. Однако, таких взаимодействий с полным развалом ядер немного, и интересно отметить, что, примерно такое же их количество (по отношению ко всем взаимодействиям) наблюдалось и ранее, при меньших энергиях в Дубне и в других центрах.

Одни частицы в спектрах "размываются". За сигнал существования "нового" состояния материи принимается полное отсутствие резонансных частиц: -мезонов там, где они обязательно должны быть видны и, с другой стороны, появление избытка частиц в другом месте спектра масс электрон-позитронных пар при меньших значениях масс – эксперимент NA-45. Избыток этот сильнее всего проявляется в более центральных взаимодействиях, т. е. опять связан с взаимодействием между кварками, и источникам, известным в нуклон-нуклонных столкновениях, приписан быть никак не может. Из-за своего короткого времени жизни -мезоны (впрочем, также, хотя и в меньшей степени, J/-мезоны) рождаются в первый момент после столкновения, когда еще температура и плотность среды очень велики, и далее, как показано многими теоретиками, могут сильно изменить свои свойства, - массу, ширину. Однако, прямого доказательства того, что наблюдаемый избыток электрон-позитронных пар принадлежит "искаженным" -мезонам, пока нет. Также пока неясна ситуация со спектром мюонных пар – здесь -мезоны хорошо просматриваются, однако центральность этих взаимодействий невелика. Но очевидно, что данные, полученные в ЦЕРН авторами, среди которых есть и сотрудники нашей лаборатории: С. С. Шиманский, В. И. Юревич, В. В. Белага, Г. Н. Агакишиев, О. Ю. Печенова и П. Г. Акишин (ЛВТА) под руководством Ю. А. Панебратцева, -исключительно интересны.

При низких энергиях подобный избыток также наблюдали ранее. Для уточнения этих наблюдений в настоящее время с участием группы инженеров и физиков под руководством Ю. В. Заневского из нашей лаборатории в GSI готовится эксперимент HADES, обладающий при измерении электронов и позитронов очень большими точностями.

Другие частицы подавляются. Полученный на огромной статистике (170 млн. событий в 96-м и 80 млн. в 95 – 99-м годах) результат эксперимента NA50 показывает, что по отношению к J/-частицам, обладающим шармом (квантовое число), ядро ведет себя совсем как деспот – оно их подавляет. Причем, подавление выхода этих частиц наиболее ярко выражено опять таки для центральных взаимодействий. Явление красиво объясняется с помощью эффекта экранирования цветных зарядов - кварков в плотной ядерной материи: J/-частицы рождаются на ранней стадии после столкновения, когда плотность ядерной среды еще велика, адроны настолько близки друг другу, что перекрываются между собой, некоторые из кварков как бы становятся общими для двух или нескольких нуклонов, появляется экранирование потенциала, обеспечивающего так называемый конфайнмент, то есть ограничение "свободы" движения кварков за пределами адронов. Это обстоятельство и не дает возможности J/-частицам свободно образовываться в кварк-глюонной ядерной среде. С ростом температуры или плотности ядерной среды экранирование увеличивается, и предсказывается, что на новом ускорителе RHIC в США произойдет полное подавление этих и подобных им частиц.

А странные частицы рождаются в изобилии. Наиболее впечатляющим эффектом влияния ядерной среды является исключительно обильное образование странных частиц. На основе существования кварк-глюонной материи в ядрах этот эффект был предсказан. В такой среде странные частицы, например, могут появляться просто из взаимодействия между собой кварков и кварков с глюонами. Кроме того, из принципа Паули следует, что образовать барион из трех разных кварков легче. И, действительно, сразу в нескольких экспериментах было показано, что в ядерном веществе выход пересчитанных на пару взаимодействующих нуклонов частиц, обладающих единичной странностью, примерно в 2-2,5 раза, а странности - вообще в 10-15 раз выше, чем в элементарном акте. Этот результат получен для взаимодействий с большой степенью центральности. В одном из этих великолепных экспериментов участвует группа физиков ЛВЭ во главе с А.И. Малаховым и Г.Л. Мелкумовым (С.В. Афанасьев, В.И. Колесников, С.А. Чатрчан). Здесь наличие четырех больших времяпроекционных камер, времяпролетной техники и калориметров обеспечивает регистрацию и идентификацию всех частиц каждого события, а ведь число образованных частиц часто превышает 2500.
    Отметим, что еще 15 лет назад на основе анализа поведения L-частиц, рожденных в центральных соударениях между легкими ядрами при энергиях 4,2 АGeV/с (стримерная камера СКМ ЛВЭ) и 4,5 АGeV/с (2-метровая пропановая камера ЛВЭ) Э.А. Оконов, Е.Н. Кладницкая, Л. Симич и другие сделали заключение о возможном образовании в ядрах кварк-глюонной плазмы – "квагмы".

"Прямые" гамма-кванты дадут прямое доказательство. Все обсуждавшиеся свидетельства имеют все-таки косвенный характер. А вот рождение так называемых прямых -квантов в ядерной материи, как радиация от кварков, могло бы быть "прямым" указанием на новое кварк-глюонное состояние материи - плазмы. В настоящее время экспериментальные результаты по рождению прямых -квантов в ядерных взаимодействиях крайне бедны, причем, наиболее значительными из них являются результаты WA-98 коллаборации ЦЕРН. Полученный здесь спектр прямых -квантов имеет "правильное" поведение: выход прямых -квантов возрастет с центральностью и хорошо согласуется с теоретическими моделями, пытающимися описать поведение кварк-глюонной плазмы. Однако, неточности в спектре еще достаточно велики, и заключения пока неубедительны.
    Отметим, что в проведение WA98 эксперимента существенный вклад внесли и наши сотрудники под руководством А.С. Водопьянова: В.А. Арефьев, В.И. Астахов, В.В. Батюня, В.П. Джорджадзе, П.В. Номоконов, А.Н. Парфенов, Н.В. Славин, Г.С. Шабратова.

Пространственно-временная картина. Почти во всех работах для восстановления пространственно-временной картины образования частиц в ядерном веществе был использован метод интерференции тождественных частиц, еще в конце 60-х годов предложенный и разработанный для элементарных частиц в нашей лаборатории М.И. Подгорецким и Г.И. Копыловым и развиваемый далее В.П. Любошицем, Р. Ледницким и другими.
    С использованием этого метода было обнаружено, например, что поперечный радиус "источника" частиц – продуктов реакции, в точности пропорционален корню кубическому из числа нуклонов ядра, участвующих во взаимодействии, то есть нарастает вместе с центральностью взаимодействия. Если в области энергий нашего нуклотрона, или AGS, радиус источника составляет 3-4 Ферми, то для RHIC в Брукхевене он достигнет 8-10 Ферми, то есть размеры источников частиц будут уже сравнимы и даже будут превышать размеры сталкивающихся ядер. Что же дальше? Будем ли иметь счастье наблюдать кварки свободными, даже и из ядер вылетевшими?

"Сигналы" из космоса. Зная радиус источника и температуру среды, определяемую по спектрам кинетических энергий частиц, можно оценить и плотность некоего образования в ядре - кварк-глюонного файербола. Превышение нормальной ядерной плотности в нем при энергиях нуклотрона составляет 2-3 раза, при энергии ядер RHIC превышение уже будет в 4-5 раз. Температура и плотность энергии оказываются даже более высокими, чем те, что существовали в ранней Вселенной в течение первых нескольких микросекунд после Большого Взрыва. Взаимодействие двух тяжелых ядер при высоких энергиях можно считать Маленьким Взрывом, причем, расширение созданного "взрывом" файербола приблизительно следует закону Хаббла: скорость расширения пропорциональна величине радиуса удаления частицы от центра. Скорость расширения составляет 30 процентов от скорости света при 2АGeV и около половины при 158AGeV. Наблюдаемые Маленькие Взрывы требуют наличия большого давления на ранних стадиях столкновения.
    Измерение анизотропии в угловых распределениях поперечных импульсов частиц относительно направления пучков, так называемые "потоки" (flow) указывают на то, что давление после столкновения нарастает быстро и на ранних стадиях имеется сильное перерассеяние частиц. Вообще наличие коллективного движения частиц, особенно так называемого эллиптического, само по себе служит еще одним косвенным сигналом существования кварк-глюонного состояния материи.

Сигналы из Дубны. При энергиях сталкивающихся ядер свыше 1GeV на нуклон только небольшая часть столкновений приводит к "взрыву" одного или обоих ядер в полном их объеме. В большинстве случаев и особенно при небольших энергиях, "взрыв" этот охватывает только небольшую часть ядер. По мере увеличения энергии (до энергий SPS) эта область постепенно увеличивается и локальный взрыв все чаще превращается в общий. При небольших энергиях уже долгое время наблюдались удивительные явления, которые, по-видимому, являются сигналами модификации ядерной среды, - появления свободных кварков в ядре.
    Одно из них – это рождение в ядрах кумулятивных частиц, кинематические характеристики которых противоречат "элементарному" нуклон-нуклонному столкновению. Начиная с пионерских исследований А.М. Балдина, В.С. Ставинского, сотрудники ЛВЭ (А.И. Малахов, А.Г. Литвиненко, Л. С. Золин, С.В. Афанасьев, Л.С. Ажгирей (ЛЯП), Л.Н. Струнов, В.П. Ладыгин и другие) собрали множество данных по выходам и поведению частиц, для рождения которых необходимо в ядре иметь образование (скорее всего, кварк-глюонное) эффективная масса которого значительно (иногда в 2-3 раза) больше массы нуклона. Нужно отметить, что рождение кумулятивных частиц происходит в событиях с характерными чертами междукварковых процессов: имеется большое количество участников взаимодействия и рождается много частиц.
    Другое не менее интересное явление связано с изучением передачи поляризации от поляризованных дейтронов продуктам реакции этих дейтронов с ядрами. (Отметим, что на нашем ускорительном комплексе есть возможность получать пучки поляризованных дейтронов до энергий 6GeV/N!). Большой цикл экспериментов в поляризованных пучках дейтронов был проведен в ЛВЭ Л.Н. Струновым, Н.М. Пискуновым, И.М. Ситником, А.И. Малаховым, А.Г. Литвиненко, Л.С. Ажгиреем (ЛЯП), В.П. Ладыгиным, Е.В. Строковским и другими. Давно замечено, что теоретическое описание результатов с помощью потенциалов, основанных на нуклонных степенях свободы не является адекватным. С другой стороны, из опытов (эксперименты EMC в CERN и другие) известно, что главными носителями спина нуклона являются глюоны. Отсюда вытекает заключение, что глюонное поле ядер существенным образом влияет на передачу поляризации. Таким образом, обсуждаемые данные могут быть косвенным свидетельством наличия в возбужденных ядрах свободных кварков даже при относительно невысоких энергиях.
    Итак, состояние ядерной материи, возникающее при взаимодействии релятивистских ядер, в котором конфайнмент кварков нарушен, и кварки свободно передвигаются в пределах ядра в той или иной степени, без сомнения, существует! Понимаемую в таком смысле кварк-глюонную плазму можно “принять” и сейчас.
    Краткий взгляд на исследования, проведенные в разное время и при различных энергиях, показывает, что появление кварковых степеней свободы в ядрах происходит постепенно с возрастанием энергии, и некоторые из обсуждаемых эффектов только становятся более наблюдаемыми при более высоких энергиях. По-видимому, деконфайнмент может происходить локально и при малых энергиях и охватывает с увеличением энергии оба взаимодействующих ядра. Таким образом, БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ часто бывает МАЛЫМ и ЛОКАЛЬНЫМ и, тем не менее, имеет свойства, подобные большому взрыву.
    Заметим, что теоретические модели, основанные на предположении существования кварк-глюонной плазмы, хорошо описывают и предсказывают наблюдаемые эффекты. Но подтверждение состояний материи, заложенных в эти теории, имеет пока лишь косвенный характер. Получение прямых свидетельств – дело будущего.

Профессор В. Н. Пенев