Stany skupienia (fazy) materii (1) p=const Gaz (cząsteczkowy lub atomowy), T eratura, Tempe Ciecz wrzenie topnienie Ciało ł stałe ł (kryształ)

Transkrypt

1 Plazma Kwarkowo-Gluonowa Nowy Stan Materii

2 Stany skupienia (fazy) materii (1) p=const Gaz (cząsteczkowy lub atomowy), T eratura, Tempe Ciecz wrzenie topnienie Ciało ł stałe ł (kryształ)

3 Diagram fazowy w tym obszarze nie ma przejścia fazowego punkt krytyczny y y powyżej tej temperatury gazu nie można skroplić niezależnie od wartości ciśnienia T topnienie K krzepnicie P parowanie Sk - skraplanie S sublimacja R - resublimacja równowaga trzech stanów skupienia

4 Stany skupienia materii (2), T eratura, Tempe Plazma elektronowo-jądrowa o Plazma elektronowo-jonowa jonizacja Gaz (cząsteczkowy lub atomowy) 90% Wszechświata

5 Parametry plazmy występującej w przyrodzie i technice

6 Stany skupienia materii (3) Tem mperatu ura, T Plazma nukleonowo-elektronowa elektronowa (nugaz) dysocjacja jąder Plazma elektronowo-jądrowa Plazma elektronowo-jonowa zewnętrzne warstwy eksplodującej supernowej

7 Czy to już koniec? W poszukiwaniu i elementarności ś Które cząstki są naprawdę elementarne? atom nie jądro atomowe nie nukleony (protony i neutrony) też nie W promieniowaniu i i kosmicznym odkryto zupełnie ł nowe cząstki, rozwój techniki akceleratorowej zaowocował odkryciem kilkudziesięciu, potem kilkuset nowych cząstek gdzie tu elementarność??? leptony oddziaływują słabo i elektromagnetycznie e, μ, μ ν hadrony oddziaływują silnie i elektromagnetycznie bariony mezony p, n, π, ρ, Δ ω

8 Cząstki dziwne początkowo zaobserwowane w promieniowaniu kosmicznym, póżniej również w eksperymentach akceleratorowych V 0 -Topology V 0 K ± μ ± + ν μ Kink-Topology p π - π + K 0 π + + π Λ π - 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 π - K 0

9 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 bariony qqq u (górny) +2/3 1/3 0 d -1/3 1/3 0 (dolny) s -1/3 1/3-1 (dziwny) proton (uud) neutron (udd) mezony π + ( u d q q _ π - ( d u ) )

10 Kolor kwarków Kwarki są fermionami mają spin połówkowy w danym stanie kwantowym może znajdować się tylko jeden fermion własny moment pędu w układzie, wktórymcząstka spoczywa; S = 1 2 h nie wynikający z ruchu względem innych cząstek co zrobić np. z cząstką Δ ++? (uuu), spin 3 2 h kwarki maja dodatkową ą cechę ładunek kolorowy u u Δ ++ u cząstka jest biała

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

12 Czy kwarki istnieją? Wszystkie znane cząstki można zbudować z kwarków Nie znaleziono cząstek, ą 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

13 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 ę niosą ą cząstki ą odpowiedzialne za oddziaływania kwarków tzw. gluony. q + 2 jety e q e + e - γ q e - γ q g 3jety Obserwacja eksperymentalna gluonów e + e - PETRA

14 A skoro nukleony mają strukturę Co się ę stanie,,g gdy y p podgrzejemy nukleony (lub mezony)? nukleony biały gaz kwarkowo-gluonowy o niezerowej liczbie barionowej mezony biały gaz kwarkowo-gluonowy o zerowej liczbie barionowej

15 Plazma kwarkowo-gluonowa (QGP) dysocjacja nukleonów lub mezonów Plazma nukleonowo-elektronowa elektronowa (nugaz) Temper ratura, T dysocjacja jąder Plazma elektronowo-jądrowa o Plazma elektronowo-jonowa jonizacja Gaz (cząsteczkowy lub atomowy) Ciecz wrzenie topnienie Ciało stałe (kryształ)

16 Diagram fazowy materii jądrowej punkt krytyczny plazma kwarkowo-gluonowa nadprzewodnictwo kolorowe skorelowana faza kolor-zapach zwykła materia hadronowa

17 Prosty przepis na plazmę kwarkowo - gluonową zgniatamy podgrzewamy i mamy plazmę

18 A tak naprawdę. Bierzemy dwa obiekty zawierające dużo kwarków najlepiej ciężkie jądra atomowe, rozpędzamy do wielkich prędkości, zderzamy ze soba i

19 i mamy problem Kwarki i gluony nie występują jako cząstki swobodne Obserwujemy tylko stany końcowe, czyli zwykłe zwykłe cząstki Oi istnieniu i i plazmy kwarkowo-gluonowej k musimy wnioskować ć na podstawie charakterystyk stanów końcowych. Musimy zdefiniować zbiór wielkości mierzalnych (obserwabli), charakterystyczny t dla wytworzonego nowego stanu materii Ciekawe jest wszystko, co nie jest trywialną superpozycją oddziaływań nukleon-nukleon

20 Jak szukamy PKG? Potrzebne są: barometr gęstość energii uzyskana z widm zmiennych podłużnych rapidity termometr et temperatura z widm zmiennych poprzecznych masa poprzeczna sejsmometr 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

21 Zmienne podłużne i poprzeczne p y 1 E + p ln 2 E p m T P + = m 2 2 = 0 η = ln ϑ tan 2 O wyższości rapidity nad pędem podłużnym: v β =, c γ = β P ' ( t = γ P β ) pęd podłużny nie jest niezmienniczy względem transformacji Lorentza y ' β y ln 1+ β 1 β rozkłady rapidity są niezmiennicze względem transformacji Lorentza wzdłuż osi zderzenia (kształt rozkładu się nie zmienia)

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

23 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

24 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

25 Czy plazma już została odkryta? 2001 CERN donosi o odkryciu PKG wynik mocno pośredniś 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