I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

НОВОЕ СОСТОЯНИЕ МАТЕРИИ – КВАРК-ГЛЮОННАЯ ПЛАЗМА

• Авторы
• Файлы работы
• Наградные документы

Мамонтов Э.Э. 1

---

1СТЛ имени Королева

Работа в формате PDF

244.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьника

Введение 3

1. Современные установки по изучению свойств кварк-глюонной плазмы 4

2. Нуклоны, кварки и глюоны 5

3. Ультра-релятивистские столкновения тяжелых ядер. Образование кварк-глюонной плазмы 6

4. Плотность энергии ядерной материи 8

Заключение 10

Список использованных источников 10

Кварк-глюонная плазма — это такое состояние сильно взаимодействующей ядерной материи, в котором отдельные протоны и нейтроны словно растворяются, и составляющие их кварки начинают свободно двигаться по объему. Это состояние ядерного вещества может возникать при достаточно высоком давлении и температуре (примерно 2 трлн градусов). В таком состоянии находилась Вселенная спустя микросекунды после Большого взрыва, и примерно такое же состояние может до сих пор существовать в самом центре некоторых нейтронных звезд.

Экспериментальное изучение кварк-глюонной плазмы позволит не только «заглянуть» в раннюю Вселенную или вглубь нейтронных звезд, но и лучше понять, как вообще устроено сильное взаимодействие, в том числе и внутри обычных ядер.

Цель работы: изучение условий получения нового состояния вещества - кварк-глюонной плазмы.

В работе решаются задачи:

1. Ознакомиться с современными установками по изучению свойств кварк-глюонной плазмы (КГП)

2. Рассмотреть эксперименты по изучению свойств КГП.

3. Провести сравнительный расчет скоростей и плотностей энергии ядер, участвующих в ультра-релятивистских столкновениях на современных коллайдерах.

Новое состояние материи – кварк-глюонная плазма – было открыто в 2005 году в экспериментах, где сталкиваются тяжелые ионы. Эксперименты проводились в Брукхейвенской национальной лаборатории в США на ускорителе тяжелых ионов (RHIC).

Детектор, на котором изучается кварк – глюонная плазма – ФЕНИКС. В нем для регистрации ядерных реакций имеются магниты и специальные устройства регистрации треков частиц.

В Европе кварк-глюонную плазму изучают на большом адроном коллайдере в Европейском ядерном центре ЦЕРН (CERN) на детекторе АЛИСА. Здесь на высоких скоростях сталкиваются ядра свинца. 25 ноября 2015 года коллайдер перешел к режиму столкновений ядер свинца при энергии столкновений 2,51 ТэВ в расчете на нуклонную пару.

Предполагается, что Вселенная в ходе эволюции находилась в состоянии КГП спустя короткое время (10^-11с) после Большого Взрыва. По мере расширения и охлаждения Вселенной на следующем этапе из кварков и глюонов образуются протоны и нейтроны. Затем протоны и нейтроны объединяются в атомные ядра, образуются атомы. И сегодня мы живем в мире, состоящем из атомов и молекул.

Современная модель атомного ядра была предложена в 1932 году русским физиком Иваненко и Гейзенбергом, физиком из Германии. Ядро состоит из нуклонов. Нуклоны – это протоны и нейтроны. Протоны положительно заряжены, нейтроны электрически нейтральны.

По современным представлениям протоны и нейтроны состоят из кварков. Кварки не имеют внутренней структуры. Они не состоят из каких-либо других, более мелких частиц. Они – элементарные частицы.

Гипотезу кварков предложил в 1967 г. американский физик-теоретик М. Гелл-Ман. В 1969 году он стал лауреатом Нобелевской премии по физике. К настоящему времени открыто 6 кварков.

Протон состоит из двух u-кваков и одного d-кварка. А нейтрон состоит одного u-квака и двух d-кварков

Частицы, состоящие из кварков, называются адроны. Кварки взаимодействуют, обмениваясь промежуточными частицами, которые называются глюоны.

На рисунке схематично показано столкновение ядер. Главная цель таких экспериментов — изучить свойства адронной материи при сверхбольших давлениях и температурах, и в особенности промежуточную фазу в таких столкновениях — кварк-глюонную плазму.

. Рис. 4. Образование кварк-глюонной плазмы в столкновении ядер

На первом рисунке два ядра движутся навстречу друг другу. Из-за высокой скорости, близкой к скорости света, ядра для наблюдателя принимают сплющенную форму. На втором рисунке – начало столкновения. Ядра рассыпаются на протоны и нейтроны. На третьем рисунке рассыпаются протоны и нейтроны на кварки (они изображены красными частицами) и глюоны. Этот момент и есть момент образования кварк-глюонной плазмы. Он длится короткое время. Затем кварки объединяются в частицы – адроны. Этот процесс называется адронизация. И образуются здесь не только протоны и нейтроны, но и другие частицы.

Такие эксперименты проводились в 80–90-е годы в ЦЕРНе, на ускорителе SPS, и на рубеже веков в них стали появляться первые намеки на новое состояния вещества. Затем первенство захватил американский коллайдер тяжелых ионов RHIC, на котором в начале 2000-х кварк-глюонная плазма была окончательно открыта. Более того, в 2005 году совершенно неожиданно оказалось, что КГП ведет себя как жидкость практически с нулевой вязкостью.

Опознать формирование кварк-глюонной плазмы можно разными способами. После распада плазмы на адроны, они должны проявиться в виде адронных эллиптических потоков и потоков более сложной формы.

Когда в начале 2000-х коллайдер тяжелых ионов RHIC сталкивал разные ядра, то работавшие на нем коллаборации PHENIX и STAR видели проявления кварк-глюонной плазмы в столкновении двух ядер золота (Au+Au), но не видели их в несимметричных столкновениях легчайшего ядра дейтерия с золотом (d+Au). В 2011–2012 годах детектор PHENIX был существенно модернизирован, в него были доустановлены новые компоненты, которые позволили ему лучше измерять свойства адронов. В 2013 году новые эксперименты по столкновению d+Au уже показали некоторые намеки на коллективные эффекты, которые напоминают следы кварк-глюонной плазмы.

Физики задумались: а может ли оказаться, что плавление ядра и образование кварк-глюонной плазмы происходит не во всем ядре, а только в маленькой «горячей зоне», в месте непосредственного удара протона по ядру? И вот совсем недавно PHENIX выполнил ключевой эксперимент. В ходе столкновений гелия-3 с ядрами золота на коллайдере RHIC в 2014 году распределение рожденных частиц по азимультальному углу и по поперечному импульсу было измерено с высокой точностью, что позволило надежно выделить компоненты КГП.

Полученное согласие является сильным указанием на то, что в тот момент, когда встречный нуклон вонзается в ядро, он плавит ядерную материю в месте попадания. На мгновение там образуется КГП.

Какова минимальная ядерная система, в которой способна возникнуть кварк-глюонная плазма? Будущие результаты PHENIX и других экспериментов вместе с теоретическими расчетами позволят ответить на этот вопрос.

В таблице приведены массовые числа А, заряд Z, кинетическая энергия E_beam ядер в столкновениях на коллайдерах RHIC и LHC.

Энергию покоя ядер рассчитаем по приближенной формуле

.

Результаты расчета собраны в соответствующую колонку таблицы.

Полная энергия движущегося ядра в лабораторной системе отсчета

Кинетическая энергия ядра – это разность полной энергии и энергии покоя:



Из уравнения (1) выражаем γ:

Для всех ядер проведем расчет величины γ и результаты подставим в таблицу.

Теперь по величине γ рассчитаем отношение v/c:

Теперь рассчитаем, как изменяется плотность энергии ядер при их ускорении в коллайдере.

Обозначим R – радиус сферического ядра в лабораторной системе отсчета.

Обозначим плотность энергии неподвижного ядра через ρ₀:

При движении ядра в коллайдере со скоростью, близкой к скорости света в вакууме, ядро в лабораторной системе отсчета приобретает форму диска. Диаметр диска равен диаметру сферического ядра. Толщину диска рассчитаем по формуле сокращения длины:

Объем диска равен:

Плотность энергии движущегося ядра – дели полную энергию на объем диска:

Теперь находим отношение плотностей энергии:

В работе рассчитано отношение плотностей энергии для всех ядер в таблице.

• В работе приведен краткий обзор современных экспериментов по изучению кварк-глюонной плазмы.

• Проведен расчет изменения плотности энергии ядер в ультра-релятивистских столкновениях. Расчет показал, что образование кварк-глюонной плазмы происходит в условиях гигантского возрастания плотности энергии ядерной материи.

1. Armesto N., Scomparin E. Heavy-ion collisions at the Large Hadron Collider: a review of the results from Run 1..//arXiv:1511.02151v1 [nucl-ex] 6 Nov 2015

2. http://elementy.ru/

3. http://home.cern/about/updates/2015/11/lhc-collides-ions-new-record-energy

10