МФТИ 1 июля 2011 Новое состояние материи: Кварк-глюонная плазма или Сгусток ранней Вселенной В лаборатории В.И.Захаров. - презентация

1 МФТИ 1 июля 2011 Новое состояние материи: Кварк-глюонная плазма или Сгусток ранней Вселенной В лаборатории В.И.Захаров

2 Объяснение терминов Обычная плазма – состояние, в котором есть свободные электроны и ионы ( а не атомы) Примеры плазмы (картинки).

3

4

5

6 Кварки и глюоны Составляющие протонов, нейтронов Свободных кварков и глюонов вокруг нас нет.

7 Атом m e 0.5 MeV m n 1000 MeV

8 Атомное ядро m p m n

9 Протон m p 1000 MeV m u,d 3..5 MeV

10 Сила между кварком и антикварком 12 тонн!!! SU(3) glu Сила между кварком и антикварком 12 тонн!!! e 2qQCD (2+1)QCD

11 SU(2) glue 2qQCD (2+1)QCD Трёхчастичные силы

12 Кварк-глюонная плазма: В плазме кварки и глюоны не связаны в протоны, нейтроны. Связи между ними разорваны температурой

13 Открытие: где, когда? 2005 год, Брукхевен, США На коллайдере релятивистских ядер RHIC (Brookhaven Nat.Lab.)

14 Подтверждено наблюдение плазмы ЦЕРН (Женева). Большой адронный коллайдер, (Первые указания ЦЕРН, 2000)

15 План лекции: Будем следовать видеоролику из Брукхевена

16

17 Содержание ролика Система ускорителей Столкновение ядер золота Кварки в ядрах Рождение «цветной» плазмы Плазма, как жидкость

18 Почему ускорители? Сталкивают частицы с большой энергией. В классической физике: разбиваем на малые части, смотрим, из чего состоит

19

20 Виртуальный мир В квантовой механике: рождаются новые частицы, то, чего не было. Т.е. не только высвобождаются кварки из ядер.

21 На очень короткое время частица бывает не самой собой Передавая, превращаем виртуальное состояние в реальное

22 Как воссоздать сейчас кусок реальной Вселенной? - Передать нужное количество энергии в соответствующем объёме Что мы знаем о Вселенной?

23

24

25 Такие энергии доступны давно. Проблема: создать такую плотность энергии в достаточно большом объёме. (Вселенная «однородна», разлетается не из точки!)

26 Поэтому ускоряют объёмные ядра, а не протоны Площадь ядра = (атомный номер) (площадь протона)

27 Проблема «блинов» (pancakes) Лоренцево сжатие (глубина)= (радиус ядра)(масса ядра)/(энергия ядра)

28

29 «Отец» RHIC Казалось бы, нет смысла сталкивать «два листа стекла» Ответственность, основанная на интуиции. Т.Д. Ли… Оправдалось результатом.

30 Tsino, Dao Lee 1926, Нобелевская премия 1957 г., вместе с Янгом (C. N. Yang)

31

32

33 Почему вообще возможно? Есть квантовый эффект При фиксированном

34 Сработало и неожиданно найдено сильное взаимодействие, быстрая термализация (листы стекла переплавили и перешли в другое стекло)

35 Итак, на RHIC воспроизвели сгусток Вселенной в момент Что узнали о Вселенной?

36 Что реально наблюдается? - Обычные частицы Плазма рождается, охлаждается и распадается за. Всё за !

37

38

39 Температура плазмы Как измерить температуру за. Принцип тот же, что обычно: чем выше температура, тем сильнее светит.

40

41 Формула Планка Интенсивность на единицу площади измерения Где -частота, - температура, - константы.

42 Фотоны уходят далеко без потери энергии и регистрируются в детекторах. Так избегают Есть целая функция частоты – проверка термического равновесия

43 Плазма как жидкость Важнейшие эффекты: Эллиптический поток (elliptic flow) Тушение струй (Jet quenching)

44 Эллиптический поток В чём состоит эффект эллиптичности потока?

45

46 По короткой оси – более энергичные частицы. Почему? Ответ: градиент давления больше по малой оси Не наблюдалось бы в случае газа частиц

47 Тушение струй Эффект состоит в «исчезновении» импульса отдачи энергичной частицы Наблюдается только на ядрах

48

49

50 Как померить вязкость? Взглянем на распределение частиц Похоже на сплошную среду

51 Уравнения классической гидродинамики Применение уравнений гидродинамики Здесь - динамическая, а - кинематическая вязкость.

52 Получается, что - постоянная планка, -постоянная Больцмана, s – энтропия единицы объёма.

53 Этот результат очень важен, так как совпадает с нижним теоретическим пределом для вязкости (принцип неопределённости). Следовательно, кварк-глюонная плазма – квантовая жидкость, несмотря на огромную температуру.

54 Сходства со свойствами жидкого гелия Раньше такое низкое значение было известно только для жидкого гелия Жидкий гелий Кварк-глюонная плазма Температуры отличаются в раз!

55

56 Итог (предварительный) Воссозданы условия ранней Вселенной Новая квантовая жидкость при температуре в раз больше чем для жидкого гелия Пересмотрены программы строительства ускорителей, учебных программ.

57 Московский физико-технический институт Факультет общей и прикладной физики кафедра теоретической астрофизики и проблем термоядерной физики Специализация: квантовая гравитация и калибровочные поля Базовая организация "Государственный Научный Центр Российской Федерации - Институт Теоретической и Экспериментальной Физики" Москва, ул. Большая Черемушкинская, 25 Руководит новой специализацией всемирно известный физик - теоретик Валентин Иванович Захаров Наш студент это тот, кому интересна теоретическая физика и/или информатика и/или математическая физика и/или суперкмпьютеры (или все вместе).

58 Итак Воспроизвели Вселенную в момент времени от Большого взрыва Утверждение: Вселенная была горячей, квантовой жидкостью.