Transcript Nejnovější objevy ve studiu horké a husté jaderné hmoty a

Nejnovější objevy ve studiu horké a husté
jaderné hmoty
a
jejich dopady na astrofyzikální objekty
„Ve fyzice vysokých energií jsme se soustřeďovali na experimenty které soustřeďovaly stále větší a větší
objem energie do oblasti se stále menšími a menšími rozměry
Abychom mohli studovat podstatu „vakua“, musíme se obrátit jiným směrem musíme zkoumat
„hromadné“ jevy pomocí rozložení vysoké hustoty energie v relativně velkém objemu“
Citát T.D. Lee z Rev. Mod. Phys. 47(1975)267 připomenutý J. Harrisem na letošní Erici”
Vladimír Wagner
Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: [email protected], WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/
1. Úvod
2. Superhorké a superhusté stavy hmoty
2.1 Nejteplejší a nejhustší hmota
v laboratoři
2.2 Stavová rovnice takové hmoty
2.3 Fázové přechody
3. Kvark-gluonové plazma
3.1 Co to je a jak jej zkoumat?
3.2 Podařilo se je prokázat?
3.3 Co nového na RHIC
3.4 V čem se liší skutečnost od
předpovědi?
4. Horká a hustá hmota v astrofyzice
4.1 Neutronové a podivné hvězdy
6. Závěr
Jak získat nejhustší a nejteplejší hmotu v laboratoři
Proč: Studium hmoty existující ve vesmíru
Pochopení fundamentálních vlastností
silných interakcí a vakua
Jak: Urychlovač – produkce husté a horké hmoty
(možnost prokázal urychlovač BEVALAC)
Experimentální zařízení – studium této hmoty
Dosažená teplota: ~ 180 MeV = 2,1×1012 K
Dosažená hustota: ~ 4 ρ0 = 1018 kg/m3
80. léta – začátek studia horké a husté hadronové hmoty
Začátek 21. století – studium kvark- gluonového plazmatu
Budování urychlovače LHC
Soustava s neutronovou hvězdou v představách malíře
RHIC a LHC jsou kuchyně pro vaření kvark-gluonové polévky
Stavová rovnice – fáze jaderné hmoty
„tvrdá“ jako ocelová koule
počátek vesmíru
pára
jaderná srážka
E/A = f(P) = f(ρ,T) =
„měkká“ jako
pružná guma
 
K
ρ  ρ 0 2  E A 0
2
18ρ 0
atomové
jádro
nitro neutronových hvězd
voda
led
plazma
Nová forma jaderné hmoty - kvark-gluonové plazma
V normálním prostředí jsou barevné kvarky uvězněny v hadronech
silnou interakcí zprostředkovanou gluony
Uvěznění a asymptotická volnost kvarků jsou základní vlastností
kvantové chromodynamiky – teorie silných interakcí
David J. Gross, H. David Politzer a Frank Wilczek – Nobelova cena za
fyziku 2004 právě za studium silné interakce a roli asymptotické volnosti
Při vysoké hustotě energie, vysoké teplotě či hustotě – uvolnění kvarků
z hadronů, velká hustota gluonů → kvark-gluonové plazma
Frank Wilczek
kvark-gluonové
plazma
Srážky jader
na urychlovači
ET > 10 GeV/n
Velký třesk
v čase kratším
než 10 μs
První předpověď v roce 1975, název zavedl E.V. Shuryak
1. podmínka – kvarky a gluony nejsou vázány v hadronech
NUTNÉ
2. podmínka – nastolení termodynamické rovnováhy NENÍ NUTNO
3. podmínka - nastolení chirální symetrie
NENÍ NUTNO
Hustota energie: 1 GeV/fm3, T = 180 MeV (2,1·1012 K)
hustota: charakteristický objem hadronů 1- 3 fm3 ↔ několik hadronů
Systém složený z volných kvarků a gluonů nacházející se v termodynamické rovnováze
hadronová hmota
kvark-gluonové plazma
Získání a studium kvark-gluonového plazmatu
Urychlovač RHIC
Srážka zaznamenaná urychlovačem Phoenix
Vznikají tisíce až desetitisíce částic, většinou pionů
Průběh srážky
1 fm/c = 3,3·10-24 s
Časový průběh srážky (pokud vznikne kvark-gluonové plazma):
1) V čase 3·10-24 s nastolení tepelné rovnováhy rozptylem kvarků gluonů (střední volná
dráha kvarků je 0,5 fm)
2) Systém expanduje a chladne, v 2·10-23 s dosáhne kritické teploty a začne hadronizace
3) Pro fázový přechod prvního druhu, existuje déle než 3·10-23 s koexistence různých fází.
4) Po hadronizaci systém dále expanduje až na objemy 104 – 105 fm3, kdy dojde
k „vymrznutí“
Největší současný urychlovač těžkých jader - RHIC
Parametry srážky
RHIC:
ECM = 200 GeV/nn
ECM = 40 TeV
Jádro zlata
průměr = 14 fm
Lorentzovská
kontrakce γ = 100
rozměr hadronů: 1 fm
klidová energie: ~ 1 GeV
(14 fm)/γ = 0,14 fm
Srážky při ultrarelativistických energiích
(energie na nukleon větší než 100 GeV  vysoce převyšuje jeho klidovou energii)
Protony - červené
Neutrony - bílé
Excitované nukleony - modré
Mezony - zelené
E = 200 GeV/nukleon
Simulace hydrodynamického modelu
UrQMD
E = 5000 GeV/nukleon
Simulace frankfurtské skupiny WWW stránky H. Webera
Příznaky vzniku kvark-gluonového plazmatu:
Při srážkách vznikají tisíce částic, které je třeba
zachytit a určit jejich vlastnosti
Srovnávání s tím, co dostaneme z p-p srážek
po přepočtení na počet nukleonových srážek
Experimenty na RHIC hledají tyto příznaky:
1) Dosažení potřebné teploty a hustoty energie
2) Průběh expanze
3) Zvětšení produkce podivných částic
4) Potlačení produkce J/ψ mezonů
5) Nastolení chirální symetrie
6) Potlačení produkce výtrysků
Srážka urychleného jádra olova s terčovým,
experiment NA49 na urychlovači SPS (158 GeV/n)
Přechod od pevného terče k vstřícným svazkům:
Energie
dostupná
v těžišti:
SPS
RHIC
13 GeV/n
200 GeV/n
Srážka jader zlata se v experimentu
STAR na urychlovači vstřícných svazků
RHIC ( 100 + 100 GeV/A )
Tvorba výtrysků („jetů“) – zviditelnění kvarků
Srážka kvarků s velmi vysokou energií → vznik dvojice směrovaných proudů částic
interagujících silnou interakcí - "výtrysků"
Kvark s vysokou energií tvoří velké
množství kvark antikvarkových párů
ty následně hadronizují
Případ vzniku čtyř výtrysků pozorovaný
experimentem OPAL na urychlovači LEP
(Hledání Higgsovy částice)
Vzniklý výtrysk hadronů má směr a nese celkovou energii původního kvarku
Potlačení produkce výtrysků (jet quenching)
Jadro-jaderná srážka:
produkce výtrysků je ovlivněna těmito jevy:
1) Croninův jev – mnohonásobný rozptyl → rozmazání
příčných hybností → posun k vyšším pt → zvětšení produkce
2) Saturace – velké nahuštění partonů → zmenšení nárůstu
produkce výtrysku s energií
nižší enegie
vyšší enegie
3) Potlačení produkce výtrysků (částic s velkým pt) a dvojic výtrysků
Průchod partonů výtrysku kvark-gluonovým plazmatem
(KGP) → ztráta energie a hybnosti → pohlcení výtrysku (v
normální hadronové hmotě nenastává) → důkaz vzniku KGP
?
Pozorováno experimenty na urychlovači RHIC
Porovnávala se produkce výtrysků v srážkách:
1) d-Au - KGP nemůže vzniknout → pouze saturace a Croninův jev
2) Au-Au - KGP může vzniknout → i potlačení produkce
Jen v Au-Au srážkách pozorováno potlačení produkce dvojic výtrysků → vzniká KGP
Potlačení částic s vysokou příčnou hybností
Výsledek experimentu:
Dramatický rozdíl chování v případě Au+Au a d+Au v závislosti
na centralitě srážky
RAA – poměr mezi počtem změřeným a extrapolovaným
z nukleon-nukleonových srážek
Au + Au experiment
d + Au kontrolní experiment
Experiment Phenix
Croninůvjev
jev ii potlačení
potlačení výtrysků
výtrysků
Croninův
pouze Croninův jev
pouze Croninův jev
Konečná
Konečnádata
data
Konečná
data
Předběžná
Předběžná
data
data
Předběžná
data
Co nového na RHIC ?
První etapa – základní charakteristiky, celkové počty hadronů
Druhá etapa (nynější) – identifikace hadronů, leptony, identifikace rozpadajících se
částic, korelace
1) Pozorování korelace mezi výtrysky a studium
jejich tvaru
2) Kolektivní toky (pozorování „Eliptic flow“)
3) Potlačení „charmonií“ – J/ψ
4) Potlačení částic s těžkými kvarky
5) Ne ideální plyn ale ideální kapalina
Podrobné studium tvaru výtrysků
Komplikované hledání výtrysků
Studium úhlových korelací
Nutnost odstranit vliv jiných typů
kolektivních jevů (eliptický tok)
Pseudorapidita:
p+p
   ln(tan
Au + Au
Jasný signál existence výtrysků
eliptický tok
Možnost studia jejich tvaru,
rozšiřování, úbytku energie,
šíření v kvark-gluonové plazmě
.......
signál
výtrysků

2
)
Rozpady:
π0  γ+γ (98.8 %)
η  γ+γ (39.4 %)
Určení invariantní hmotnosti
pro dvojice kvant gama:
M2γγ = 2E1E2(1-cosΘ12)
Hybnost (vektorově): pγγ= p1 + p2
využití invariantní hmotnosti
(příklad - experiment TAPS)
Odečtení kombinatorického pozadí určeného z míchání
dvou různých případů srážky
Porovnání počtu fotonů z rozpadu
neutrálních mezonů a z jiných procesů
(Experiment PHENIX)
Protilehlé výtrysky pozorovány pouze
u d + Au experimentu ne u Au + Au
experimentu
Protilehlé výtrysky
Malá pravděpodobnost zachycení → nutná velká statistika
Energie protilehlého
výtrysku se rozmělní do
spousty nízkoenergetických
částic
Průchod výtrysku –
ideální test horké a husté
hmoty
Energetičtější výtrysk → větší šance zachytit
protilehlý
Do budoucna:
1) Korelace foton – výtrysk
2) Identifikace těžkých kvarků (menší ztráty
energie)
Potlačení produkce J/ψ
Mezon J je silně vázaným systémem kvarku c a antikvarku ĉ. V kvark-gluonovém
plazmatu se díky odstínění těchto kvarků možnost vzniku tohoto mezonu silně snižuje.
Jaderné modely
modely s potlačením
J/ψ pozorován v rozpadech na dileptonové
páry – náročnější analýza
Pozorováno potlačení J/ψ mezonů
modely s potlačením
i rekombinací c anti-c
Kolektivní toky
(zatím pro nukleony pro energii svazku 1 GeV/A)
N = N0( 1 + v1·cosφ + 2·v2·cos(2·φ))
v1 - velikost asymetrií v rovině srážky
v2 - velikost asymetrií kolmo na ni (eliptický tok)
pevný terč
Relativní rapidita: YREL = (Y - YPRO/2)/(YPRO/2)
(vůči těžišti)
Připomínka definice rapidity
v1 < 0, v2 = 0
Oblast terče YREL  -1
YPROJ - rapidita projektilu
E

 pz 
1 c
1  1  cos 
  ln 

y  ln 
2  E  p  2  1  cos 

z 
c

v1 = 0, v2 < 0
Srážková oblast YREL  0
v1 > 0, v2 = 0
Oblast projektilu YREL  +1
Asymetrie v produkci η a π0 mezonů vůči rovině srážky
Daná geometrie  studium středních rapidit YREL = 0
Vliv doby průletu jader okolo sebe na velikost asymetrie v
produkci mezonů
Nižší energie svazku - nukleony „diváci“ déle stíní v rovině srážky
Vyšší energie svazku - nukleony „diváci“ jsou dříve pryč
v2
v2
mezony η
mezony π0 - tvoří se dlouhou dobu - „diváci“ jsou už pryč
mezony η - potřebují více energie jen v ranných fázích
Kolektivní toky na RHIC (200 GeV/A)
(nastolila termodynamické rovnováhy už na úrovni kvark-gluonového plazmatu?)
Zobrazíme závislost v2 = f(pT) pro identifikované hadrony v oblasti YREL = 0:
d2N
~ 1  2  v 2 (p T )  cos(2 )
dp T d
Kolektivní tok vzniká už na kvarkové úrovni (v době kvark-gluonového plazmatu) →
platí jednoduché škálování pT → pT/n v2 → v2/n (n =2 pro mezony, n=3 pro baryony)
kolektivní tok 15000 kvarků
Ukazuje na:
1) Rychlou termalizaci
0,6 fm/c
2) Ideální hydrodynamiku
nulová viskozita
ideální kapalina
3) ε = 25 GeV/fm3 >> εkrit
4) Stavová rovnice KGP
!!! Termodynamická rovnováha se nastolila ještě ve fázi kvark-gluonového plazmatu !!!
Teplota chemického vymrznutí
chemické vymrznutí – okamžik, kdy
se přestal měnit poměr mezi počty
různých hadronů
Univerzální teplota chemického
vymrznutí:
Kvark-gluonové
plazma
Kritický bod
TCHV = 177 MeV ~ TKRIT(QCD)
potvrzení malé baryonové hustoty
Hadronový plyn
Bod vymrznutí pro RHIC leží na
extrapolaci dosud pozorované křivky
Jaderná hmota
Ne ideální plyn ale ideální kapalina
Vytvoření barevného systému uvolněných kvarků a gluonů
Silné překročení kritické teploty a hustoty energie
Nastolení tepelné rovnováhy ještě v době existence barevné fáze
Nejedná se o slabě interagující systém ale o silně interagující systém
- ideální kapalina s nulovou viskozitou
Mluví se o:
silně interagujícím
kvark-gluonové
plazmatu
Řada věcí stále
nejasná a sporná
plyn - ne
kapalina – ano !!
Co dále?
Potřebné studium vlastnosti nového stavu hmoty – její stavové rovnice pro stále
vyšší teploty
Některé vlastnosti souhlasí s původními představami o kvark-gluonovém plazmatu
některé jsou bližší pojetí „color glass condensate“
Určit druh fázového přechodu – velký význam pro průběh velkého třesku
Zatím sledujeme pouze silně interagující částice (99,9 % vznikajících částic jsou
hadrony), fotony a leptony pouze z sekundárních procesů → nepřímé signály –
informace je částečně setřena
už začal hon na fotony a leptony vznikající přímo v plazmě → přímé signály z kvarkgluonového plazmatu
RHIC 100 + 100 GeV/nukleon
LHC 3500 + 3500 GeV/nukleon
Experiment ALICE na urychlovači LHC
Stroj na studium kvark-gluonového plazmatu
Experiment ALICE (česky Alenka) a jednotlivé detektorové systémy:
Co máme a co nemáme pro popis neutronových, hybridních
podivných (kvarkových) hvězd
Zrod kompaktního objektu při výbuchu supernovy
neutronová hvězda – velké jádro
hybridní systém – uvnitř neutronové
hvězdy kvark-gluonové plazma
neutronová hvězda
rudý obr
zhroucení jádra → výbuch supernovy → pozůstatek po supernově
podivná (kvarková) hvězda – velký hadron
při chladnutí možnost přechodu jednoho
typu v jiný
Potřebujeme znát i chování husté ale chladné
hadronové i kvarkové hmoty
Ranný vesmír
Cestou je urychlovač FAIR – svazky těžkých
iontů s energií do 30 GeV/A
Kvark-gluonové
plazma
FAIR
Srovnání FAIR v GSI Darmstadt a RHIC v
Brookhavenu (LHC v CERN)
Výbuch supernovy → horká hmota → chladne
různě rychle pro různý typ objektu
Hadrony
Jádra
Neutronové hvězdy
Barevná
supravodivost
Možnost odlišení:
1)
2)
3)
4)
5)
Poměr hmotnosti a poloměru. Poloměr menší
než 8 km → podivná hvězda
Průběh chladnutí. Podivná hvězda chladne
rychleji.
Možnost intenzivnějšího vyzařování u podivné
hvězdy
Podivná hvězda může rychleji rotovat
Podivná hvězda nemá skoky v periodě
Vztah mezi poloměrem a
hmotností podivné hvězdy
Pravidelně se objevují náznaky objevu podivné hvězdy:
Rok 2002:
1) Objekt RX J1856.5-3754: osamělý velmi hustý objekt
s M = 0,4 MS ve značné vzdálenosti – malý poloměr??
2) Mladý pulsar J0205+6449 v centru pozůstatku
3C58 po supernově SN1181 – rychlé chladnutí??
Objekt RX J1856.5-3754
Letošní rok srpen : Y.L Yue et al:astro-ph/0603468 : pulsar PSR B0943+10
Driftující subpulzy, příliš malá „polární čepička“ než pro klasické pulsary s M ~ MS
a R ~ 10 km
Možné vysvětlení – nahá kvarková hvězda s hmotností M ~ 0,02 MS a R ~ 2,6 km
Závěr
•
•
•
•
•
•
•
•
Srážky těžkých jader - možnost studia i velmi horké a husté hmoty
vyskytující se jinak jen ve vesmíru
Existence úplně nového stavu hmoty – ? silně interagující kvark-gluonového
plazmatu? – potvrzena díky RHIC v Brookhavenu
Hlavním signálem je potlačení produkce částic z vysokou příčnou hybností
dvojic protilehlých výtrysků a potlačení J/ψ mezonů
Podrobné studium jeho vlastností, fázové rovnice, charakteru fázového
přechodu, stupně dosažené termodynamické rovnováhy už začalo na
urychlovači RHIC a od roku 2007(8) na LHC (experiment ALICE)
Ukazuje se, že dochází k velmi rychlému nastavení termodynamické
rovnováze, systém se chová jako ideální kapalina
Kromě nepřímých signálů nesených silně interagujícími částicemi se
očekává studium přímých signálů od fotonů a leptonů
Pro pochopení kompaktních konečných stádií hvězd je potřebné poznat i
vlastnosti husté ale chladné hadronové a kvark-gluonové hmoty (projekt
FAIR v GSI Darmstadt)
Účast českých fyziků z ÚJF a FÚ AVČR, příležitost i pro studenty