Главная цель физики процессов с
тяжелыми ионами − исследование свойств рожденной в столкновениях релятивистских
ядер материи с высокой плотностью энергии и их описание из первых принципов
фундаментальной теории сильных взаимодействий − квантовой хромодинамики (КХД).
Образование нового сверхплотного состояния вещества предсказывается
статистической КХД для сильновзаимодействующих систем с достаточно высокой
температурой (T > 200 МэВ). Согласно современным космологическим представлениям,
кварк-адронный фазовый переход имел место в ранней Вселенной в первые
микросекунды после Большого Взрыва. Эксперименты с пучками тяжелых ионов дают
уникальную возможность воссоздания в лабораторных условиях существовавшей на
самых ранних стадиях развития Вселенной прото-материи, изучение свойств которой
представляет значительный интерес как с точки зрения понимания природы
фундаментальных взаимодействий и происхождения элементарных частиц, так и с
точки зрения проверки современных теорий рождения и эволюции Вселенной.
Интенсивные экспериментальные
исследования проводятся на коллайдере RHIC (США) в коллаборациях STAR [1],
BRAHMS [2], PHENIX [3], PHOBOS [4] (краткое описание экспериментальных установок
дано в приложении 9.1). Рождение частиц в столкновениях тяжелых ионов и
зависимость их распределений от свойств плотной новой среды исследуются
экспериментально как функции большого числа переменных. Эти переменные включают
как кинематические величины (энергия в системе центра масс, поперечный импульс и
быстрота частицы), так и специфические переменные ядро-ядерных столкновений
(прицельный параметр или число участвующих во взаимодействии нуклонов),
необходимые для контроля размера и формы области столкновения.
Объектом исследования являются
экстремальные состояния ядерной материи, возникающие в областях локальных
флуктуации плотности энергии в результате взаимодействий тяжелых ионов
сверхвысоких энергий. Основные характеристики таких экстремальных состояний
материи могут быть измерены с помощью ряда физических процессов рождения частиц:
адронов, фотонов, лептонов, тяжелых кваркониев, жестких струй и струй от тяжелых
кварков, различных импульсных и энергетических корреляций, азимутальной
анизотропии частиц и потоков энергии.
По данным экспериментов плотность
энергии в рожденном сгустке материи
ε ≈ 5 ГэВ/Фм3 [2], что выше критической плотности ≈ 1 ГэВ/Фм3
, ожидаемой в расчетах КХД на решетках [5, 6] для перехода в состояние кварк-глюонной плазмы (КГП). Это условие является необходимым, но недостаточным.
Для доказательства образования КГП нужно по крайней мере три условия: высокая
плотность энергии, термализация вещества и деконфайнмент, т.е. образование
состояния, в котором кварки и глюоны не связаны в адроны.
За последние два десятка лет
процессы при столкновении тяжелых ионов изучались при все более увеличивающейся
энергии √s в системе центра масс на пару нуклонов от AGS (БНЛ)
{√s ≤ 5 ГэВ), SPS
(ЦЕРН) (√s ≤ 20 ГэВ) до RHIC (БНЛ)
(√s ≤ 200 ГэВ). Данные этих экспериментов
показывают замечательные общие тенденции в зависимости как от размеров ядер, так
и от кинематических переменных. Начало работ на коллайдере LHC в ЦЕРНе в 2008
году позволит изучать процессы при столкновении тяжелых ионов при энергии √s =
5500 ГэВ, что почти в 30 раз больше, чем на коллайдере RHIC.
Физика столкновений
ультрарелятивистских ядер − это новое направление с еще не вполне устоявшимися
представлениями. Настоящее пособие посвящено экспериментальным исследованиям,
которые открывают новые эффекты и закономерности, не всегда предсказываемые
теорией. Можно сказать, что в этом разделе физики эксперимент идет впереди
теории. Пособие не преследует цели дать описание теоретических моделей. Из
многочисленных теоретических работ берутся лишь физические понятия и
представления. В нем также не затронуты такие важные темы физики тяжелых ионов,
но представленные в курсе лекций, как химическое и кинематическое "замерзание",
усиление выхода странных и ослабление выхода очарованных частиц, измерение
размеров области источника адронов, "плавление" адронных резонансов.
Полезно для начала определить, что понимается под КГП, т.к.
за 30 лет после введения такого понятия [7] теоретические представления
изменились. КГП − это (локальное) термально-равновесное состояние материи, в
котором кварки и глюоны не связаны (деконфайнмированы). В этом состоянии
происходит восстановление киральной симметрии.
При этом следует оговорить условия образования КГП при
столкновении релятивистских ионов.
Не ставится условие, чтобы кварки и глюоны не
взаимодействовали, как это было в ранних теоретических работах.
Расчеты КХД на решетках показывают, что идеальная КГП может
существовать только при температурах много больших, чем
температура, необходимая для перехода в деконфайнмент. Было
предложено называть новую материю горячая
"сильновзаимодействующая кварк глюонная плазма" (СКГП) [8, 9].
Не требуется доказательства 1-го или 2-го фазового перехода,
предполагающего резкие изменения наблюдаемых характеристик.
Образование КГП происходит за некоторой критической точкой в
барионной плотности с быстрым изменением, но без разрыва
глобальных характеристик СКГП.
Восстановление киральной симметрии будет достаточным
доказательством существования новой формы материи. КХД
предсказывает, что переход в КГП сопровождается деконфайнментом,
хотя теоретически этот вопрос не решен окончательно. Поиск
проявления восстановления киральной симметрии − одна из главных
целей RHIC.
В дополнение к данному курсу лекций полезно прочитать
книгу В.М.Емельянова, С.Л.Тимошенко и М.Н.Стриханова "Введение в релятивистскую
ядерную физику" [10], в которой впервые дан обзор экспериментальных данных (до
2004 года) и приведено описание теоретических моделей, используемых в физике
столкновения релятивистских ионов. Можно также ознакомиться с книгой, написанной
до начала экспериментов на RHIC (1994 г.) C.Y.Wong "Introduction to High Energy
Heavy Ion Collisions" [11]. Укажем, кроме того, последние теоретические обзоры
[12, 13], в которых даны описания моделей и детальное сравнение их результатов с
экспериментом.
В конце данного пособия дан список литературы, полезной для
начинающих изучать физику высоких энергий и физику элементарных частиц.
Приведены также ссылки в Рунете на электронную версию данного текста, на
визуальные материалы, используемые автором во время чтения каждой лекции, и на
некоторые обзоры по физике столкновений ультрарелятивистских ядер. В приложениях
дано краткое описание экспериментальных установок, определения кинематических
переменных и формулы для вычисления числа нуклонов двух ядер, участвующих в
неупругом взаимодействии. В отдельном приложении в конце пособия приведены
иллюстрации, которые будут полезны для научных докладов студентов и для
преподавателей физических факультетов других вузов.
