Plazma KwarkowoGluonowa Nowy Stan Materii Marek Kowalski Stany

Plazma Kwarkowo-Gluonowa Nowy Stan Materii Marek Kowalski

Stany skupienia (fazy) materii (1) p=const Temperatura, T Gaz (cząsteczkowy lub atomowy) 10/26/2021 wrzenie Ciecz topnienie Ciało stałe (kryształ) Marek Kowalski

Diagram fazowy w tym obszarze nie ma przejścia fazowego punkt krytyczny – powyżej temperatury gazu nie można skroplić niezależnie od wartości ciśnienia T – topnienie K – krzepnięcie P – parowanie Sk - skraplanie S – sublimacja R - resublimacja 10/26/2021 równowaga trzech stanów skupienia Marek Kowalski

Temperatura, T Stany skupienia materii (2) Plazma elektronowo-jądrowa Plazma elektronowo-jonowa jonizacja Gaz (cząsteczkowy lub atomowy) 10/26/2021 Marek Kowalski 90% Wszechświata

Parametry plazmy występującej w przyrodzie i technice 10/26/2021 Marek Kowalski

Temperatura, T Stany skupienia materii (3) Plazma nukleonowo-elektronowa (nugaz) dysocjacja jąder Plazma elektronowo-jądrowa Plazma elektronowo-jonowa 10/26/2021 Marek Kowalski zewnętrzne warstwy eksplodującej supernowej

Czy to już koniec? W poszukiwaniu elementarności… Które cząstki są naprawdę elementarne? atom – nie jądro atomowe – nie nukleony (protony i neutrony) – też nie W promieniowaniu kosmicznym odkryto zupełnie nowe cząstki, rozwój techniki akceleratorowej zaowocował odkryciem kilkudziesięciu, potem kilkuset nowych cząstek – gdzie tu elementarność? ? ? leptony – oddziaływują słabo i elektromagnetycznie naładowane bariony hadrony – oddziaływują silnie i elektromagnetycznie 10/26/2021 Marek Kowalski mezony

Cząstki dziwne – początkowo zaobserwowane w promieniowaniu kosmicznym, póżniej również w eksperymentach akceleratorowych K± V 0 -Topology p Kink-Topology - + K 0 Nowe cząstki miały czas życia charakterystyczny dla oddziaływań słabych. Coś nie pozwalało im rozpadać się silnie (jądrowo) Aby to wyjaśnić wprowadzono nową liczbę kwantową tzw. dziwność 10/26/2021 Marek Kowalski K 0 -

Co zrobić z nadmiarem szczęscia? Murray Gell-Mann, George Zweig (1964) – istnieją 3 elementarne cząstki, tzw. kwarki, z których można zbudować wszystkie pozostałe kwark ładunek L. barionowa dziwność u (górny) +2/3 1/3 0 d (dolny) -1/3 0 s (dziwny) -1/3 bariony proton (uud) neutron (udd) mezony 1/3 -1 π+ π- 10/26/2021 Marek Kowalski

Kolor kwarków w danym stanie kwantowym może znajdować się tylko jeden fermion Kwarki są fermionami – mają spin połówkowy własny moment pędu w układzie, w którym cząstka spoczywa; nie wynikający z ruchu względem innych cząstek co zrobić np. z cząstką Δ++ ? Δ++ (uuu), spin u kwarki maja dodatkową cechę – ładunek kolorowy 10/26/2021 Marek Kowalski u u cząstka jest biała

W kolejnych latach odkrywano następne kwarki – c, b, t kwark ładunek l. barionowa zapach u (górny) 2/3 1/3 U=1 d (dolny) -1/3 D = -1 s (dziwny) -1/3 S = -1 c (powabny) 2/3 1/3 C=1 b (piękny) -1/3 B = -1 t (szczytowy) 2/3 1/3 T=1 10/26/2021 Marek Kowalski

Czy kwarki istnieją? • Wszystkie znane hadrony można zbudować z kwarków • Nie znaleziono hadronów, których nie można zbudować z kwarków • Przewidywania modelu kwarków zostały potwierdzone eksperymentalnie Nie znaleziono swobodnych kwarków Czy są to tylko obiekty matematyczne? A może kwarki nie mogą istnieć jako cząstki swobodne – asymptotyczna swoboda Siły oddziaływań między kwarkami rosną tym bardziej im bardziej je od siebie oddalamy 10/26/2021 Marek Kowalski Frank Wilczek David Gross David Politzer Nobel 2004

Nukleony mają strukturę Eksperymenty potwierdziły istnienie w nukleonie 3 obiektów o ładunkach ułamkowych Te same eksperymenty wykazały, że kwarki niosą tylko połowę pędu nukleonu… Gdzie jest reszta? Resztę niosą cząstki odpowiedzialne za oddziaływania kwarków tzw. gluony. 2 jety e+ e- g Obserwacja eksperymentalna gluonów – e+e- PETRA 10/26/2021 Marek Kowalski 3 jety

A skoro nukleony mają strukturę… Co się stanie, gdy „podgrzejemy” nukleony (lub mezony) ? nukleony mezony 10/26/2021 „biały” gaz kwarkowo-gluonowy o niezerowej liczbie barionowej „biały” gaz kwarkowo-gluonowy o zerowej liczbie barionowej Marek Kowalski

Plazma kwarkowo-gluonowa (QGP) dysocjacja nukleonów lub mezonów Plazma nukleonowo-elektronowa (nugaz) Temperatura, T dysocjacja jąder Plazma elektronowo-jądrowa Plazma elektronowo-jonowa jonizacja Gaz (cząsteczkowy lub atomowy) wrzenie Ciecz 10/26/2021 topnienie Ciało stałe (kryształ) Marek Kowalski

Diagram fazowy materii jądrowej punkt krytyczny plazma kwarkowo-gluonowa nadprzewodnictwo kolorowe skorelowana faza kolor-zapach „zwykła” materia hadronowa 10/26/2021 Marek Kowalski

Prosty przepis na plazmę kwarkowo gluonową zgniatamy 10/26/2021 podgrzewamy Marek Kowalski i mamy plazmę

A tak naprawdę…. Bierzemy dwa obiekty zawierające dużo kwarków – najlepiej ciężkie jądra atomowe, rozpędzamy do wielkich prędkości, zderzamy ze soba i… 10/26/2021 Marek Kowalski

… i mamy problem… Kwarki i gluony nie występują jako cząstki swobodne Obserwujemy tylko stany końcowe, czyli „zwykłe” cząstki O istnieniu plazmy kwarkowo-gluonowej musimy wnioskować na podstawie charakterystyk stanów końcowych. Musimy zdefiniować zbiór wielkości mierzalnych (obserwabli), charakterystyczny dla wytworzonego nowego stanu materii Ciekawe jest wszystko, co nie jest trywialną superpozycją oddziaływań nukleon-nukleon 10/26/2021 Marek Kowalski

Jak szukamy PKG ? Potrzebne są: • barometr Ø gęstość energii uzyskana z widm zmiennych podłużnych – rapidity • termometr Ø temperatura z widm zmiennych poprzecznych – masa poprzeczna • sejsmometr Ø wszelkiego rodzaju nietrywialne fluktuacje rozkładów krotności, widm itp. . dynamiczne, nie statystyczne Interesujące są również wszelkie zmiany składu produkowanych cząstek w stosunku do oddziaływań proton-proton i proton-jadro 10/26/2021 Marek Kowalski

Zmienne podłużne i poprzeczne O wyższości rapidity nad pędem podłużnym: pęd podłużny nie jest niezmienniczy względem transformacji Lorentza rozkłady rapidity są niezmiennicze względem transformacji Lorentza wzdłuż osi zderzenia (kształt rozkładu się nie zmienia) 10/26/2021 Marek Kowalski

Gęstość energii jest proporcjonalna do maksimum gęstości rozkładu rapidity (barometr) Odmienne zależności od energii dla Au+Au i Cu+Cu (sejsmometr? ) Temperatura jest odwrotnie proporcjonalna do nachylenia rozkładu masy poprzecznej (termometr) 10/26/2021 Marek Kowalski

Przejścia fazowe Transformacja układu termodynamicznego z jednej fazy do drugiej Przejście fazowe pierwszego rzędu: nieciągłość pierwszej pochodnej energii swobodnej względem zmiennej termodynamicznej topnienie, parowanie, skraplanie… miara pracy możliwej do wykonania przez układ Przejście fazowe drugiego rzędu: nieciągłość drugiej pochodnej energii swobodnej ferromagnetyk -> paramagnetyk powyżej temperatury Curie, nadprzewodnik - przewodnik 10/26/2021 Marek Kowalski

A jak jest z naszą plazmą? Przejście z jednej fazy do drugiej nie musi być przejściem fazowym Istnieje możliwość tzw. „crossover” , czyli zmiany fazy przy zachowaniu ciągłości pochodnych granica Stefana-Boltzmanna nieosiągalna -raczej ciecz niż gaz teoria raczej „crossover” niż przejście fazowe 10/26/2021 Marek Kowalski

Czy plazma już została odkryta? 2001 – CERN donosi o odkryciu PKG • wynik mocno pośredni • wnioski oparte na braku możliwości równoczesnego wyjaśnienia wszystkich obserwowanych efektów RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider): • zaobserwowano nowy stan materii • zaskakujący wynik – nowy stan zachowuje się jak nadciekła ciecz a nie jak gaz nieoddziałujących kwarków i gluonów Ostatnie słowo będzie należało do LHC 10/26/2021 Marek Kowalski