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) 11/22/2020 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 – krzepnicie P – parowanie Sk - skraplanie S – sublimacja R - resublimacja 11/22/2020 równowaga trzech stanów skupienia Marek Kowalski

Temperatura, T Stany skupienia materii (2) Plazma elektronowo-jądrowa Plazma elektronowo-jonowa jonizacja Gaz (cząsteczkowy lub atomowy) 11/22/2020 Marek Kowalski 90% Wszechświata

Parametry plazmy występującej w przyrodzie i technice 11/22/2020 Marek Kowalski

Temperatura, T Stany skupienia materii (3) Plazma nukleonowo-elektronowa (nugaz) dysocjacja jąder Plazma elektronowo-jądrowa Plazma elektronowo-jonowa 11/22/2020 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 bariony hadrony – oddziaływują silnie i elektromagnetycznie 11/22/2020 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 11/22/2020 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- 11/22/2020 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 11/22/2020 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 11/22/2020 Marek Kowalski

Czy kwarki istnieją? • Wszystkie znane cząstki można zbudować z kwarków • Nie znaleziono cząstek, 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 11/22/2020 Marek Kowalski

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 11/22/2020 Marek Kowalski 3 jety

A skoro nukleony mają strukturę… Co się stanie, gdy „podgrzejemy” nukleony (lub mezony) ? nukleony mezony 11/22/2020 „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 11/22/2020 topnienie Ciało stałe (kryształ) Marek Kowalski

Diagram fazowy materii jądrowej punkt krytyczny plazma kwarkowo-gluonowa nadprzewodnictwo kolorowe skorelowana faza kolor-zapach „zwykła” materia hadronowa 11/22/2020 Marek Kowalski

Prosty przepis na plazmę kwarkowo gluonową zgniatamy 11/22/2020 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… 11/22/2020 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 11/22/2020 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 11/22/2020 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) 11/22/2020 Marek Kowalski

Gęstość energii jest proporcjonalna do maksimum gęstości rozkładu rapidity (barometr) Tu nie widać żadnych fluktuacji (sejsmometr słabo działa) Temperatura jest odwrotnie proporcjonalna do nachylenia rozkładu masy poprzecznej (termometr) 11/22/2020 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 11/22/2020 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 11/22/2020 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 11/22/2020 Marek Kowalski