Общее введение:
Кварк–глюонная плазма - это состояние вещества, при котором элементарные частицы, составляющие адроны барионной материи, освобождаются от своего сильного притяжения друг к другу при чрезвычайно высоких плотностях энергии. Этими частицами являются кварки и глюоны, составляющие барионную материю. В обычной материи кварки ограничены; в QGP кварки деконцентрированы. В классической квантовой хромодинамике (КХД) кварки являются фермионными компонентами адронов (мезонов и барионов), в то время как глюоны считаются бозонными компонентами таких частиц. Глюоны являются переносчиками силы, или бозонами, цветовой силы КХД, в то время как кварки сами по себе являются их аналогами в фермионной материи.
Кварк–глюонная плазма изучается с целью воссоздания и понимания условий высокой плотности энергии, преобладающих во Вселенной, когда материя образовалась из элементарных степеней свободы (кварков, глюонов) примерно через 20 мкс после Большого взрыва. Экспериментальные группы исследуют на "большом" расстоянии ограничивающую структуру квантового вакуума, современный релятивистский эфир, который определяет преобладающую форму материи и законы природы. Эксперименты дают представление о происхождении вещества и массы: вещество и антивещество образуются, когда кварк–глюонная плазма "адронизируется", а масса вещества образуется в ограничивающей структуре вакуума.
Как кварк-глюонная плазма вписывается в общую схему физики:
КХД является частью современной теории физики элементарных частиц, называемой Стандартной моделью. Другие части этой теории касаются электрослабых взаимодействий и нейтрино. Теория электродинамики была протестирована и признана правильной с точностью до нескольких долей на миллиард. Теория слабых взаимодействий была протестирована и признана правильной в нескольких частях из тысячи. Возмущающие формы КХД были протестированы с точностью до нескольких процентов. Пертурбативные модели предполагают относительно небольшие изменения основного состояния, т. е. относительно низкие температуры и плотности, что упрощает вычисления за счет общности. В отличие от этого, непертурбативные формы КХД практически не тестировались. Изучение КГП, обладающего как высокой температурой, так и плотностью, является частью этой попытки консолидировать великую теорию физики элементарных частиц.
Исследование QGP также является испытательным полигоном для теории поля с конечной температурой, раздела теоретической физики, который стремится понять физику элементарных частиц в условиях высокой температуры. Такие исследования важны для понимания ранней эволюции нашей Вселенной: первые сто микросекунд или около того. Она имеет решающее значение для физических целей нового поколения наблюдений за Вселенной (WMAP и его преемников). Она также имеет отношение к теориям Великого объединения, которые стремятся объединить три фундаментальные силы природы (исключая гравитацию).
Причины изучения образования кварк–глюонной плазмы.
Общепринятая модель образования Вселенной утверждает, что это произошло в результате Большого взрыва. В этой модели в промежуток времени 10-10-10-6 с после Большого взрыва материя существовала в форме кварк-глюонной плазмы. Можно воспроизвести плотность и температуру вещества, существовавшего в то время, в лабораторных условиях для изучения характеристик самой ранней Вселенной. Пока единственной возможностью является столкновение двух тяжелых атомных ядер, ускоренных до энергий более ста ГэВ. Используя результат лобового столкновения в объеме, приблизительно равном объему атомного ядра, можно смоделировать плотность и температуру, которые существовали в первые моменты жизни Вселенной.
Отношение к нормальной плазме.
Плазма - это вещество, в котором заряды экранируются из-за присутствия других подвижных зарядов. Например: Закон Кулона подавляется экранированием с образованием заряда, зависящего от расстояния, 
Из-за задействованных чрезвычайно высоких энергий пары кварк-антикварк образуются путем образования пар, и, таким образом, QGP представляет собой примерно равную смесь кварков и антикварков различных вкусов, лишь с небольшим избытком кварков. Это свойство не является общей чертой обычной плазмы, которая может быть слишком холодной для образования пар (см. однако, сверхновая с нестабильностью пар).
Теория.
Одним из следствий этого различия является то, что цветовой заряд слишком велик для пертурбативных вычислений, которые являются основой КЭД. В результате основным теоретическим инструментом для изучения теории КГП является калибровочная теория решетки. Температура перехода (приблизительно 175 МэВ) была впервые предсказана калибровочной теорией решетки. С тех пор калибровочная теория решетки использовалась для предсказания многих других свойств такого рода материи. Гипотеза о соответствии AdS / CFT может дать представление о QGP, более того, конечная цель соответствия жидкости / гравитации - понять QGP. Считается, что QGP представляет собой фазу КХД, которая полностью локально термализована и, таким образом, подходит для эффективного описания динамики жидкости.
Производство.
Получение QGP в лаборатории достигается столкновением тяжелых атомных ядер (называемых тяжелыми ионами, поскольку в ускорителе атомы ионизируются) при релятивистской энергии, при которой вещество нагревается значительно выше температуры Хагедорна TH = 150 МэВ на частицу, что составляет температуру, превышающую 1,66 ×1012 К. Этого можно достичь, столкнув два больших ядра с высокой энергией (обратите внимание, что 175 МэВ - это не энергия сталкивающегося пучка). Ядрасвинца золота использовались для таких столкновений в CERN SPS и BNL RHIC соответственно. Ядра ускоряются до ультрарелятивистских скоростей (сокращая свою длину) и направляются навстречу друг другу, создавая "огненный шар" в редких случаях столкновения. Гидродинамическое моделирование предсказывает, что этот огненный шар будет расширяться под действием собственного давления и охлаждаться во время расширения. Тщательно изучив сферический и эллиптический потоки, экспериментаторы проверили теорию.
Диагностические инструменты.
Имеются неопровержимые доказательства образования кварк-глюонной плазмы при столкновениях релятивистских тяжелых ионов.
Важными классами экспериментальных наблюдений являются
- Образование странностей
- Эллиптический поток
- Тушение струи
- Плавление J/ψ
- Эффект Хэнбери-Брауна и Твисса и Корреляции Бозе-Эйнштейна
- Спектры одиночных частиц (тепловая фотоны и тепловые дилептоны)
Ожидаемые свойства:
Термодинамика.
Температура перехода из нормальной адронной фазы в QGP составляет около 156 МэВ. Этот "переход" на самом деле может быть не только качественной особенностью, а вместо этого иметь отношение к истинному фазовому переходу (второго рода), например, к классу универсальности трехмерной модели Изинга. Вовлеченные явления соответствуют плотности энергии немногим менее 1 ГэВ/fm3. Для релятивистской материи давление и температура не являются независимыми переменными, поэтому уравнение состояния представляет собой соотношение между плотностью энергии и давлением. Это было обнаружено с помощью решеточных вычислений и сравнено как с теорией возмущений, так и с теорией струн. Это все еще является предметом активных исследований. В настоящее время вычисляются функции отклика, такие как удельная теплоемкость и восприимчивость к различным числам кварков.
Поток.
Скорость звука.
Уравнение состояния является важным вкладом в уравнения течения. Скорость звука (скорость колебаний плотности QGP) в настоящее время исследуется при вычислениях на решетке. Длина свободного пробега кварков и глюонов была вычислена с использованием теории возмущений, а также теории струн. Вычисления решетки здесь шли медленнее, хотя первые вычисления коэффициентов переноса были завершены. Это указывает на то, что среднее свободное время кварков и глюонов в QGP может быть сравнимо со средним расстоянием между частицами: следовательно, QGP является жидкостью в том, что касается ее текучих свойств. Это очень активная область исследований, и эти выводы могут быстро развиваться. Включение диссипативных явлений в гидродинамику - еще одна активная область исследований.
Эффект гашения струи.
В конце 1970–х годов были сделаны подробные прогнозы относительно образования струй на суперпротонно-антипротонном синхротроне ЦЕРН. UA2 наблюдал первые свидетельства образования струй при столкновениях адронов в 1981 году, что вскоре после этого было подтверждено UA1.
Позже эта тема была возобновлена в RHIC. Одним из наиболее поразительных физических эффектов, получаемых при энергиях RHIC, является эффект гашения струй. На первой стадии взаимодействия сталкивающихся релятивистских ядер партоны сталкивающихся ядер порождают вторичные партоны с большим поперечным импульсом ≥ 3-6 ГэВ/с. Проходя через сильно нагретую сжатую плазму, партоны теряют энергию. Величина потери энергии партоном зависит от свойств кварк-глюонной плазмы (температуры, плотности). Кроме того, также необходимо учитывать тот факт, что окрашенные кварки и глюоны являются элементарными объектами плазмы, что отличается от потерь энергии партоном в среде, состоящей из бесцветных адронов. В условиях кварк–глюонной плазмы потери энергии, возникающие в результате энергий RHIC партонами, оцениваются как 
В ноябре 2010 года ЦЕРН объявил о первом прямом наблюдении тушения струи, основанном на экспериментах со столкновениями тяжелых ионов.
Прямые фотоны и дилептоныпротонно–антипротонный синхротрон.
Прямые фотоны и дилептоны, возможно, являются наиболее проницательными инструментами для изучения релятивистских столкновений тяжелых ионов. Они генерируются различными механизмами, охватывающими пространственно-временную эволюцию сильно взаимодействующего огненного шара. В принципе, они также дают представление о начальной стадии. Их трудно расшифровать и интерпретировать, поскольку большая часть сигнала исходит от распадов адронов спустя долгое время после распада огненного шара QGP.
Гипотеза Гласмапротонно–антипротонный синхротрон.
С 2008 года ведется дискуссия о гипотетическом состоянии–предшественнике кварк-глюонной плазмы, так называемой "Гласме", где одетые частицы конденсируются в некое стекловидное (или аморфное) состояние, ниже реального перехода между ограниченным состоянием и жидкой плазмой. Это было бы аналогично образованию металлических стекол или их аморфных сплавов ниже истинного начала жидкометаллического состояния.
Хотя экспериментальные высокие температуры и плотности, предсказанные для образования кварк–глюонной плазмы, были достигнуты в лаборатории, полученное вещество не ведет себя как квазиидеальное состояние свободных кварков и глюонов, а, скорее, как почти идеальная плотная жидкость. На самом деле, тот факт, что кварк–глюонная плазма еще не будет "свободной" при температурах, реализуемых на современных ускорителях, был предсказан в 1984 году как следствие остаточных эффектов конфайнмента.
Образование деконцентрированной материи в лабораторных условияхпротонно–антипротонный синхротрон:
Кварк–глюонная плазма (QGP) или кварковый суп - это состояние вещества в квантовой хромодинамике (КХД), которое существует при чрезвычайно высокой температуре и /или плотности. Считается, что это состояние состоит из асимптотически свободных сильно взаимодействующих кварков и глюонов, которые обычно ограничены ограничением цвета внутри атомных ядер или других адронов. Это по аналогии с обычной плазмой, где ядра и электроны, удерживаемые внутри атомов электростатическими силами в условиях окружающей среды, могут свободно перемещаться. Эксперименты по созданию искусственной кварковой материи начались в ЦЕРНЕ в 1986/87 годах, в результате чего первые заявления были опубликованы в 1991 году. Прошло несколько лет, прежде чем идея получила признание в сообществе физиков элементарных частиц и ядерщиков. Формирование нового состояния материи в ПБ–ПБ столкновений было официально объявлено в ЦЕРН учитывая убедительные экспериментальные результаты, представленные в ЦЕРН СПС WA97 эксперимента в 1999 году, а позже разработанной в Брукхейвенской национальной лаборатории релятивистский коллайдер тяжелых ионов. Кварковая материя может образовываться только в ничтожных количествах, она нестабильна, ее невозможно сдерживать, и в течение доли секунды она радиоактивно распадается на стабильные частицы путем адронизации; затем образующиеся адроны или продукты их распада и гамма-лучи могут быть обнаружены. На фазовой диаграмме кварковой материи QGP находится в высокотемпературном режиме с высокой плотностью, тогда как обычная материя представляет собой холодную и разреженную смесь ядер и вакуума, а гипотетические кварковые звезды состояли бы из относительно холодной, но плотной кварковой материи. Считается, что в течение нескольких микросекунд (от 10-12 до 10-6 секунд) после Большого взрыва, известного как кварковая эпоха, Вселенная находилась в состоянии кварк-глюонной плазмы.
Сила цветового взаимодействия означает, что в отличие от газообразной плазмы кварк-глюонная плазма ведет себя как почти идеальная ферми–жидкость, хотя исследования характеристик течения продолжаются.
Исследовательские группы RHIC заявляли о жидком или даже почти идеальном течении жидкости практически без сопротивления трению или вязкости и компактном мюонном соленоидном детекторе LHC. QGP отличается от события "свободного" столкновения несколькими особенностями; например, содержание частиц в ней указывает на временное химическое равновесие, приводящее к избытку странных кварков средней энергии, по сравнению с неравновесным распределением, смешивающим легкие и тяжелые кварки ("образование странности"), и не позволяет проходить струям частиц ("тушение струи").
Эксперименты на суперпротонном синхротроне CERN (SPS) начали эксперименты по созданию QGP в 1980–х и 1990-х годах: результаты побудили CERN объявить о доказательствах "нового состояния материи" в 2000 году. Ученые релятивистского коллайдера тяжелых ионовБрукхейвенской национальной лаборатории объявили, что они создали кварк-глюонную плазму путем столкновения ионов золота со скоростью, близкой к скорости света, достигающей температуры в 4 триллиона градусов Цельсия ионов золота. Текущие эксперименты (2017) на релятивистском коллайдере тяжелых ионов Брукхейвенской национальной лаборатории (RHIC) на Лонг-Айленде (Нью-Йорк, США) и на недавнем Большом адронном коллайдере ЦЕРНА близ Женевы (Швейцария) продолжают эти усилия путем столкновения релятивистски ускоренных золота и других видов ионов (на RHIC) или свинца (на LHC) друг с другом или с протонами. Три эксперимента, проведенные на Большом адронном коллайдере ЦЕРНА (LHC), на спектрометрах ALICE, ATLAS и CMS, продолжили изучение свойств QGP. ЦЕРН временно прекратил сталкивать протоны и начал сталкивать ионы свинца для эксперимента ALICE в 2011 году, чтобы создать QGP. Новый рекорд температуры был установлен АЛИСА: Эксперимент на большом ионном коллайдере в ЦЕРНЕ в августе 2012 года в диапазоне 5,5 триллионов (5,5×1012) кельвинов, как заявлено в их Nature PR.
Образование кварк–глюонной плазмы происходит в результате сильного взаимодействия между партонами (кварками, глюонами), которые составляют нуклоны сталкивающихся тяжелых ядер, называемых тяжелыми ионами. Поэтому эксперименты называются экспериментами по столкновению релятивистских тяжелых ионов. Теоретические и экспериментальные работы показывают, что образование кварк–глюонной плазмы происходит при температуре T ≈ 150-160 МэВ, температуре Хагедорна, и плотности энергии ≈ 0,4–1 ГэВ/фм3. Хотя поначалу ожидался фазовый переход, современные теоретические интерпретации предполагают фазовое превращение, подобное процессу ионизации обычной материи в ионную и электронную плазму.
Кварк-глюонная плазма и начало распада.
Центральным вопросом формирования кварк–глюонной плазмы является исследование начала деконфайнирования. С самого начала исследований по образованию QGP вопрос заключался в том, может ли быть достигнута плотность энергии при столкновениях ядро-ядро. Это зависит от того, сколько энергии теряет каждый нуклон. Важную картину реакции создало масштабное решение, представленное Бьоркеном. Эта модель
применима к столкновениям со сверхвысокими энергиями. В экспериментах, проводимых в CERN SPS и BNL RHIC, возникла более сложная ситуация, обычно разделяемая на три этапа:
- Первичные партонные столкновения и остановка барионов в момент полного перекрытия сталкивающихся ядер.
- Перераспределение энергии частиц и рождение новых частиц в огненном шаре QGP.
- Огненный шар из вещества QGP уравновешивается и расширяется перед адронизацией.
Все больше и больше экспериментальных данных указывают на силу механизмов образования QGP, действующих даже при протон—протонных столкновениях в масштабе энергии LHC.
.&comment=Live-is){kind=small}
