Plasma de Quark – gluon - Quark–gluon plasma

Diagrama de fase QCD. Adaptado do original feito por RS Bhalerao.

O plasma quark-gluon ou QGP é um conjunto localizado em interação de quarks e glúons em equilíbrio térmico (cinética local) e (próximo ao) químico (abundância). A palavra plasma sinaliza que cargas coloridas gratuitas são permitidas. Em um resumo de 1987, Léon van Hove apontou a equivalência dos três termos: plasma quark gluon, matéria quark e um novo estado da matéria. Uma vez que a temperatura está acima da temperatura de Hagedorn - e, portanto, acima da escala de massa leve do quark u, d - a pressão exibe o formato relativístico de Stefan-Boltzmann governado pela quarta potência da temperatura e muitos quarks e glúons praticamente livres de massa. Podemos dizer que o QGP emerge para ser a nova fase da matéria em interação forte que manifesta suas propriedades físicas em termos de dinâmica quase livre de glúons e quarks praticamente sem massa. Tanto os quarks quanto os glúons devem estar presentes em condições próximas ao equilíbrio químico (rendimento) com sua carga de cor aberta para um novo estado da matéria a ser referido como QGP.

O plasma quark-gluon preencheu todo o Universo antes que a matéria fosse criada. Teorias prevendo a existência de plasma quark-gluon foram desenvolvidas no final dos anos 1970 e início dos anos 1980. As discussões em torno da experimentação de íons pesados ​​seguiram o exemplo e as primeiras propostas de experimentos foram apresentadas no CERN e no BNL nos anos seguintes. O plasma quark-gluon foi detectado pela primeira vez no laboratório do CERN no ano 2000.

Linha do tempo do programa de íons pesados ​​relativísticos do CERN-SPS antes da descoberta do QGP.

Introdução geral

O plasma quark-gluon é um estado da matéria no qual as partículas elementares que constituem os hádrons da matéria bariônica são libertadas de sua forte atração umas pelas outras sob densidades de energia extremamente altas . Essas partículas são os quarks e glúons que compõem a matéria bariônica. Na matéria normal, os quarks estão confinados ; no QGP, os quarks são desconfinados . No QCD clássico, os quarks são os componentes fermiônicos dos hádrons ( mésons e bárions ), enquanto os glúons são considerados os componentes bosônicos dessas partículas. Os glúons são os portadores de força, ou bósons, da força de cor QCD, enquanto os quarks por si só são suas contrapartes de matéria fermiônica.

O plasma quark-gluon é estudado para recriar e compreender as condições de alta densidade de energia que prevalecem no Universo quando a matéria se formou a partir de graus elementares de liberdade (quarks, glúons) cerca de 20 μs após o Big Bang . Grupos experimentais estão sondando a uma distância 'grande' a estrutura do vácuo quântico (des) confinante, o éter relativístico atual, que determina a forma prevalecente da matéria e as leis da natureza. Os experimentos dão uma ideia da origem da matéria e da massa: a matéria e a antimatéria são criadas quando o plasma do quark-gluon 'se torna' hadronizado e a massa da matéria se origina na estrutura confinante do vácuo.

Como o plasma quark-gluon se encaixa no esquema geral da física

QCD é uma parte da teoria moderna da física de partículas chamada de Modelo Padrão . Outras partes desta teoria lidam com interações eletrofracas e neutrinos . A teoria da eletrodinâmica foi testada e considerada correta em algumas partes em um bilhão. A teoria das interações fracas foi testada e considerada correta em algumas partes em mil. Formas perturbativas de QCD foram testadas em uma pequena porcentagem. Os modelos perturbativos assumem mudanças relativamente pequenas do estado fundamental, ou seja, temperaturas e densidades relativamente baixas, o que simplifica os cálculos à custa da generalidade. Em contraste, as formas não perturbativas de QCD mal foram testadas. O estudo do QGP, que possui alta temperatura e densidade, faz parte desse esforço para consolidar a grande teoria da física de partículas.

O estudo do QGP é também um campo de testes para a teoria de campos de temperatura finita , um ramo da física teórica que busca entender a física de partículas em condições de alta temperatura. Esses estudos são importantes para entender a evolução inicial do nosso universo: os primeiros cem microssegundos ou mais. É crucial para os objetivos da física de uma nova geração de observações do universo ( WMAP e seus sucessores). É também relevante para as Teorias da Grande Unificação, que buscam unificar as três forças fundamentais da natureza (excluindo a gravidade).

Cinco razões para estudar o plasma quark-gluon. O plano de fundo do slide é baseado no afresco do teto da Capela Sistina " A Criação de Adão ", de Michelangelo . Esta imagem ornamentou o pôster da primeira escola de verão de plasma quark – gluon "Produção de Partículas em Matéria Altamente Excitada".

Razões para estudar a formação de plasma quark-gluon

O modelo geralmente aceito da formação do Universo afirma que isso aconteceu como resultado do Big Bang . Nesse modelo, no intervalo de tempo de 10 -10 -10 -6 s após o Big Bang, a matéria existia na forma de um plasma de quark-gluon. É possível reproduzir a densidade e a temperatura da matéria existente naquela época em condições de laboratório para estudar as características do Universo muito antigo. Até agora, a única possibilidade é a colisão de dois núcleos atômicos pesados acelerados para energias de mais de cem GeV. Usando o resultado de uma colisão frontal em volume aproximadamente igual ao volume do núcleo atômico, é possível modelar a densidade e a temperatura que existiam nos primeiros instantes de vida do Universo.

Relação com plasma normal

Um plasma é uma matéria na qual as cargas são rastreadas devido à presença de outras cargas móveis. Por exemplo: a Lei de Coulomb é suprimida pela blindagem para produzir uma carga dependente da distância , ou seja, a carga Q é reduzida exponencialmente com a distância dividida por um comprimento de blindagem α. Em um QGP, a carga de cor dos quarks e glúons é filtrada. O QGP tem outras analogias com um plasma normal. Existem também diferenças porque a carga da cor é não abeliana , enquanto a carga elétrica é abeliana. Fora de um volume finito de QGP, o campo elétrico de cor não é filtrado, de modo que um volume de QGP ainda deve ser de cor neutra. Portanto, como um núcleo, terá carga elétrica inteira.

Por causa das energias extremamente altas envolvidas, os pares quark-antiquark são produzidos pela produção de pares e, portanto, QGP é uma mistura quase igual de quarks e antiquarks de vários sabores, com apenas um leve excesso de quarks. Esta propriedade não é uma característica geral dos plasmas convencionais, que podem ser muito frios para a produção de pares (veja, no entanto , supernova de instabilidade de pares ).

Teoria

Uma consequência dessa diferença é que a carga de cor é muito grande para cálculos perturbativos que são o esteio do QED . Como resultado, a principal ferramenta teórica para explorar a teoria do QGP é a teoria de calibre de rede . A temperatura de transição (aproximadamente175  MeV ) foi predito pela teoria de calibre de rede. Desde então, a teoria de calibre de rede tem sido usada para prever muitas outras propriedades deste tipo de matéria. A conjectura de correspondência AdS / CFT pode fornecer insights em QGP, além disso, o objetivo final da correspondência fluido / gravidade é entender QGP. O QGP é considerado uma fase de QCD que é completamente termalizada localmente e, portanto, adequada para uma descrição dinâmica de fluido eficaz.

Produção

A produção de QGP em laboratório é obtida colidindo núcleos atômicos pesados ​​(chamados de íons pesados, pois em um acelerador os átomos são ionizados) na energia relativística em que a matéria é aquecida bem acima da temperatura de Hagedorn T H = 150 MeV por partícula, o que equivale a um temperatura superior a 1,66 x 10 12 K . Isso pode ser feito colidindo dois grandes núcleos em alta energia (observe que175 MeV não é a energia do feixe em colisão). Núcleos de chumbo e ouro têm sido usados ​​para tais colisões no CERN SPS e no BNL RHIC , respectivamente. Os núcleos são acelerados a velocidades ultrarelativísticas ( contraindo seu comprimento ) e direcionados uns para os outros, criando uma "bola de fogo", no raro caso de uma colisão. A simulação hidrodinâmica prevê que essa bola de fogo se expandirá sob sua própria pressão e esfriará enquanto se expande. Ao estudar cuidadosamente o fluxo esférico e elíptico , os experimentalistas colocam a teoria em teste.

Ferramentas de diagnóstico

Há uma evidência esmagadora da produção de plasma quark-gluon em colisões relativísticas de íons pesados.

As classes importantes de observações experimentais são

Propriedades esperadas

Termodinâmica

A temperatura de cruzamento da fase hadrônica normal para a fase QGP é de cerca 175 MeV . Esse "cruzamento" pode, na verdade, não ser apenas uma característica qualitativa, mas, em vez disso, pode ter a ver com uma verdadeira transição de fase (de segunda ordem), por exemplo, da classe de universalidade do modelo de Ising tridimensional . Os fenômenos envolvidos correspondem a uma densidade de energia um pouco menor queGeV / fm 3 . Para a matéria relativística , pressão e temperatura não são variáveis ​​independentes, então a equação de estado é uma relação entre a densidade de energia e a pressão. Isso foi descoberto por meio de cálculos de rede e comparado à teoria das perturbações e à teoria das cordas . Isso ainda é uma questão de pesquisa ativa. Funções de resposta, como o calor específico e várias suscetibilidades ao número de quarks, estão sendo calculadas atualmente.

Fluxo

A descoberta do líquido perfeito foi uma virada na física. Os experimentos no RHIC revelaram uma riqueza de informações sobre esta substância notável, que agora sabemos ser um QGP. Matéria nuclear em "temperatura ambiente" é conhecida por se comportar como um superfluido . Quando aquecido, o fluido nuclear evapora e se transforma em um gás diluído de núcleons e, após aquecimento posterior, um gás de bárions e mésons (hádrons). Na temperatura crítica, T H , os hádrons derretem e o gás volta a ser líquido. Experimentos RHIC mostraram que este é o líquido mais perfeito já observado em qualquer experimento de laboratório em qualquer escala. A nova fase da matéria, consistindo de hádrons dissolvidos, exibe menos resistência ao fluxo do que qualquer outra substância conhecida. Os experimentos do RHIC mostraram, já em 2005, que o Universo em seu início era uniformemente preenchido com esse tipo de material - um superlíquido - que uma vez que o Universo resfriou abaixo de T H evaporou em um gás de hádrons. Medições detalhadas mostram que este líquido é um plasma quark-gluon onde quarks, antiquarks e gluons fluem independentemente.

Representação esquemática da região de interação formada nos primeiros momentos após a colisão de íons pesados ​​com altas energias no acelerador.

Em suma, um plasma quark-gluon flui como um respingo de líquido e, como não é "transparente" em relação aos quarks, pode atenuar os jatos emitidos por colisões. Além disso, uma vez formada, uma bola de plasma quark-gluon, como qualquer objeto quente, transfere calor internamente por radiação. No entanto, ao contrário dos objetos do dia-a-dia, há energia suficiente disponível para que os glúons (partículas mediando a força forte ) colidam e produzam um excesso dos quarks estranhos pesados ​​(ou seja, de alta energia ) . Ao passo que, se o QGP não existisse e houvesse uma colisão pura, a mesma energia seria convertida em uma mistura de não equilíbrio contendo quarks ainda mais pesados, como quarks charme ou quarks bottom .

A equação de estado é uma entrada importante nas equações de fluxo. A velocidade do som (velocidade das oscilações de densidade QGP) está atualmente sob investigação em cálculos de rede. O caminho livre médio de quarks e glúons foi calculado usando a teoria de perturbação , bem como a teoria das cordas . Os cálculos da rede têm sido mais lentos aqui, embora os primeiros cálculos dos coeficientes de transporte tenham sido concluídos. Isso indica que o tempo livre médio de quarks e glúons no QGP pode ser comparável ao espaçamento médio entre as partículas: portanto, o QGP é um líquido no que diz respeito às suas propriedades de fluxo. Este é um campo de pesquisa muito ativo, e essas conclusões podem evoluir rapidamente. A incorporação de fenômenos dissipativos na hidrodinâmica é outra área de pesquisa ativa.

Efeito de têmpera a jato

Previsões detalhadas foram feitas no final dos anos 1970 para a produção de jatos no Síncrotron Super Proton – Antiproton do CERN . UA2 observou a primeira evidência de produção de jato em colisões de hadrões em 1981, que pouco depois foi confirmada por UA1 .

O assunto foi revivido posteriormente no RHIC. Um dos efeitos físicos mais notáveis ​​obtidos com energias RHIC é o efeito de jatos de extinção. No primeiro estágio de interação de núcleos relativísticos em colisão, partons dos núcleos em colisão dão origem aos partons secundários com um grande impulso transversal ≥ 3-6 GeV / s. Passando por um plasma comprimido altamente aquecido, os partons perdem energia. A magnitude da perda de energia pelo parton depende das propriedades do plasma quark-gluon (temperatura, densidade). Além disso, também é necessário levar em conta o fato de que quarks e glúons coloridos são os objetos elementares do plasma, o que difere da perda de energia por um parton em um meio constituído por hádrons incolores . Sob as condições de um plasma de quark-gluon, as perdas de energia resultantes das energias RHIC pelos partons são estimadas como dE / dx = 1 GeV / fm. Esta conclusão é confirmada comparando o rendimento relativo de hádrons com um grande impulso transversal em colisões núcleo-núcleo e núcleo-núcleo na mesma energia de colisão. A perda de energia por partons com um grande impulso transversal nas colisões núcleo-núcleo é muito menor do que nas colisões núcleo-núcleo, o que leva a uma diminuição no rendimento de hádrons de alta energia nas colisões núcleo-núcleo. Este resultado sugere que as colisões nucleares não podem ser consideradas como uma simples superposição de colisões núcleo-núcleo. Por um curto período de tempo, ~ 1 μs e no volume final, quarks e glúons formam algum líquido ideal. As propriedades coletivas deste fluido se manifestam durante seu movimento como um todo. Portanto, ao mover partons neste meio, é necessário levar em consideração algumas propriedades coletivas deste líquido quark-gluon. As perdas de energia dependem das propriedades do meio quark-gluon, da densidade do parton na bola de fogo resultante e da dinâmica de sua expansão. As perdas de energia por quarks leves e pesados ​​durante a passagem de uma bola de fogo são aproximadamente as mesmas.

Em novembro de 2010, o CERN anunciou a primeira observação direta de extinção de jato, com base em experimentos com colisões de íons pesados.

Fótons diretos e dileptons

Fótons diretos e dileptons são indiscutivelmente as ferramentas mais penetrantes para estudar colisões de íons pesados ​​relativísticos. Eles são produzidos por vários mecanismos que abrangem a evolução espaço-temporal da bola de fogo de forte interação. Eles fornecem, em princípio, um instantâneo também no estágio inicial. Eles são difíceis de decifrar e interpretar, já que a maior parte do sinal se origina de decaimentos de hadron muito tempo depois que a bola de fogo QGP se desintegrou.

Hipótese de Glasma

Desde 2008, há uma discussão sobre um estado precursor hipotético do plasma quark-gluon, o chamado "Glasma", onde as partículas revestidas são condensadas em algum tipo de estado vítreo (ou amorfo), abaixo da transição genuína entre o estado confinado e o plasma líquido. Isso seria análogo à formação de vidros metálicos, ou ligas amorfas deles, abaixo do início genuíno do estado metálico líquido.

Embora as altas temperaturas e densidades experimentais previstas para a produção de um plasma de quark-gluon tenham sido realizadas em laboratório, a matéria resultante não se comporta como um estado quase ideal de quarks e glúons livres, mas, sim, como um fluido denso quase perfeito . Na verdade, o fato de que o plasma quark-gluon ainda não estará "livre" nas temperaturas realizadas nos aceleradores atuais foi previsto em 1984 como consequência dos efeitos remanescentes do confinamento.

Formação em laboratório de matéria não definida

Um plasma de quark-gluon (QGP) ou sopa de quark é um estado da matéria na cromodinâmica quântica (QCD) que existe em temperatura e / ou densidade extremamente altas . Acredita-se que esse estado consista em quarks e glúons de interação forte assintoticamente livres , que normalmente são confinados pelo confinamento de cores dentro de núcleos atômicos ou outros hádrons . Isso é uma analogia com o plasma convencional, onde núcleos e elétrons, confinados dentro dos átomos por forças eletrostáticas em condições ambientais, podem se mover livremente. Os experimentos para criar matéria de quark artificial começaram no CERN em 1986/7, resultando nas primeiras alegações publicadas em 1991. Demorou vários anos até que a ideia fosse aceita na comunidade de físicos de partículas e nucleares. A formação de um novo estado da matéria em colisões de Pb-Pb foi oficialmente anunciada no CERN em vista dos resultados experimentais convincentes apresentados pelo experimento SPS WA97 do CERN em 1999, e posteriormente elaborado pelo colisor de íons pesados ​​relativísticos do Brookhaven National Laboratory . A matéria de quark só pode ser produzida em quantidades mínimas e é instável e impossível de conter, e decairá radioativamente em uma fração de segundo em partículas estáveis ​​por meio da hadronização ; os hádrons produzidos ou seus produtos de decomposição e raios gama podem então ser detectados. No diagrama de fase da matéria de quark , QGP é colocado no regime de alta temperatura e alta densidade, enquanto a matéria comum é uma mistura fria e rarefeita de núcleos e vácuo, e as estrelas de quark hipotéticas consistiriam em matéria de quark relativamente fria, mas densa . Acredita-se que até alguns microssegundos (10 -12 a 10 -6 segundos) após o Big Bang, conhecidas como a época quark , o universo estava num estado de plasma quark-gluão.

A intensidade da força da cor significa que, ao contrário do plasma semelhante a um gás, o plasma quark-gluon se comporta como um líquido Fermi quase ideal , embora a pesquisa sobre as características do fluxo esteja em andamento. O fluxo de líquido ou mesmo líquido quase perfeito com quase nenhuma resistência ao atrito ou viscosidade foi reivindicado por equipes de pesquisa no RHIC e no detector Compact Muon Solenóide do LHC . O QGP difere de um evento de colisão "gratuito" por vários recursos; por exemplo, seu conteúdo de partícula é indicativo de um equilíbrio químico temporário produzindo um excesso de quarks estranhos de energia média vs. uma distribuição de não-equilíbrio misturando quarks leves e pesados ​​("produção de estranheza"), e não permite a passagem de jatos de partículas ( "têmpera a jato").

Experiências no CERN 's Super Proton Synchrotron experimentos (SPS) começaram a criar QGP nas décadas de 1980 e 1990: os resultados levaram CERN para anunciar evidência para um 'novo estado da matéria', em 2000. Cientistas do Brookhaven National Laboratory pesado Relativistic Ion Collider anunciou eles criaram plasma quark-gluon colidindo íons de ouro quase à velocidade da luz, atingindo temperaturas de 4 trilhões de graus Celsius. Experiências em curso (2017), no Laboratório Nacional de Brookhaven 's Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC) em Long Island (NY, EUA) e no recente do CERN Large Hadron Collider , perto de Genebra (Suíça) estão continuando este esforço, por colidir ouro relativisticamente acelerado e outras espécies de íons (no RHIC) ou conduzem (no LHC) entre si ou com prótons. Três experimentos em execução no Large Hadron Collider (LHC) do CERN, nos espectrômetros ALICE , ATLAS e CMS , continuaram estudando as propriedades do QGP. O CERN parou temporariamente de colidir prótons e começou a colidir íons de chumbo para o experimento ALICE em 2011, a fim de criar um QGP. Um novo recorde de temperatura foi estabelecido por ALICE: A Large Ion Collider Experiment no CERN em agosto de 2012 na faixa de 5,5 trilhões (5,5 × 10 12 ) kelvin, conforme declarado em seu Nature PR.

A formação de um plasma quark-gluon ocorre como resultado de uma forte interação entre os partons ( quarks , gluons ) que constituem os núcleos dos núcleos pesados ​​em colisão chamados íons pesados. Portanto, os experimentos são chamados de experimentos de colisão de íons pesados ​​relativísticos. Trabalhos teóricos e experimentais mostram que a formação de um plasma quark-gluon ocorre na temperatura de T ≈ 150–160 MeV, a temperatura de Hagedorn e uma densidade de energia de ≈ 0,4–1 GeV / fm 3 . Enquanto a princípio uma transição de fase era esperada, as interpretações teóricas atuais propõem uma transformação de fase semelhante ao processo de ionização da matéria normal em plasma iônico e eletrônico.

Plasma de quark-gluon e o início do desconfinamento

A questão central da formação de um plasma quark-gluon é a pesquisa para o início do desconfinamento . Desde o início da pesquisa sobre a formação do QGP, a questão era se a densidade de energia pode ser alcançada em colisões núcleo-núcleo. Isso depende de quanta energia cada núcleo perde. Uma imagem de reação influente foi a solução de dimensionamento apresentada por Bjorken . Este modelo se aplica a colisões de energia ultra-alta. Em experimentos realizados no CERN SPS e no BNL RHIC surgiu uma situação mais complexa, geralmente dividida em três etapas:

  • Colisões de partões primários e parada de bárions no momento da sobreposição completa dos núcleos em colisão.
  • Redistribuição da energia das partículas e novas partículas nascidas na bola de fogo QGP.
  • A bola de fogo da matéria QGP se equilibra e se expande antes de se tornar evidente.

Mais e mais evidências experimentais apontam para a força dos mecanismos de formação de QGP - operando mesmo em colisões próton-próton na escala de energia do LHC.

Leitura adicional

Livros

  • acesso livre Hádrons em fusão, quarks em ebulição  : da temperatura de Hagedorn às colisões ultrarrelativísticas de íons pesados ​​no CERN: com uma homenagem a Rolf Hagedorn, ed. J. Rafelski , 2016.
  • Termodinâmica e equações do estado da matéria: do gás ideal ao plasma quark-gluon, V. E Fortov, 2016.
  • Quark – Gluon Plasma: Theoretical Foundations: An Annotated Reprint Collection, eds. J. Kapusta, B. Müller , J. Rafelski , 2003.
  • Plasma Quark – Gluon: de Big Bang a Little Bang, Kohsuke Yagi, Tetsuo Hatsuda, Yasuo Miake, 2005.
  • Phenomenology of Ultra-Relativistic Heavy-Ion Collisions, Wojciech Florkowski, 2010.
  • The Physics of the Quark – Gluon Plasma: Introductory Lectures, eds. Sourav Sarkar, Helmut Satz, Bikash Sinha, 2010.
  • Física Relativística de Íons Pesados. Landolt-Börnstein - Grupo I Partículas, Núcleos e Átomos Elementares. 23, 2010.
  • Quark Gluon Plasma and Hadron Physics, eds. PK Sahu, SC Phatak, Yogendra Pathak Viyogi, 2009.
  • Hadrons and Quark – Gluon Plasma, J. Letessier, J. Rafelski , 2002.
  • The Physics of the Quark – Gluon Plasma, B. Müller , 1985.

Artigos de revisão com uma perspectiva histórica do campo

  • Breve história da pesquisa de estruturas críticas em colisões de íons pesados, Marek Gazdzicki, Mark Gorenstein, Peter Seyboth, 2020.
  • Discovery of quark-gluon plasma: strangeness diaries, Johann Rafelski, 2020.
  • Revisão fenomenológica sobre plasma quark – gluon: conceitos vs. observações, Roman Pasechnik, Michal Šumbera, 2017.
  • Quark matter: the started, Helmut Satz, Reinhard Stock, 2016.
  • Quatro experimentos de íons pesados ​​no CERN-SPS: Uma viagem pela estrada da memória, Emanuele Quercigh, 2012.
  • Sobre a história da produção de multipartículas em colisões de alta energia, Marek Gazdzicki, 2012.
  • Estranheza e o plasma quark-gluon: trinta anos de descoberta, Berndt Müller, 2012.
  • De SPS a RHIC: Maurice e o programa de íons pesados ​​do CERN, Ulrich W. Heinz, 2008.
  • RHIC: De sonhos a vigas em duas décadas, Gordon Baym, 2002.

Veja também

Referências

links externos