Введение к работе
Актуальность работы. Одной из наиболее фундаментальних задач современной физики высоких энергий является выяснение статуса специфического состояния сильно взаимодействующей материи - кварк-глюопной плазмы (QGP), при котором кварки высвобождены из адронов и восстановлена киральная симметрия. Такая фаза должна возникать, согласно фундаментальным предсказаниям КХД (Квантовой Хромо-Дипамики), при достаточно высокой плотности и/или температуре адрошюй материи.
Проводимые многочисленные теоретические и экспериментальные исследования должны прояснить многие проблемы и в будущем (вероятно, .недалеком) сделать нозможным экспериментальное наблюдение QGP.
Экспериментальные программы в настоящее время ориентированы главным образом па релятивистские соударения тяжелых ионов, так как в таких процессах образование термализованной сверхплотной материи традиционно представляется наиболее вероятным. В ближайшем будущем должны появиться новые экспериментальные данные но соударению тяжелых ионов при сверхвысоких энерхиях на ускорителях LHC в CERN'e (Швейцария), RHIC в США.
Для всех названных программ необходима разработанная теоретическая база, в особенности - четкие предсказания относительно пропесса формирования QGP, ее дальнейшей эволюции и адронизации, а также сигналов QGP, т.е. того, как именно присутствие QGP на первых этапах эволюции может проявляться в характеристиках вторичных частиц, возникающих в результате соударения. Особенно важно прояснить, как протекает процесс фазового перехода из QGP в адронную материю, поскольку он существенно влияет на наблюдаемые характеристики вторичных частиц.
Несмотря па многочисленные исследования процессов эволюции и последующей адронизации плазмы, а также связанных с ними сигналов QGP, проводныписса в течение последних 20 лет, эти проблемы не решены сколь-нибудь удовлетворительно и сохраняют свою актуальность. В частности, среди известных в литературе сигналов QGP нет таких, которые были бы достаточно ясно выделяемы экспериментально и, одновременно, недвусмысленны в теоретическом отношении: наблюдаемые эффекты, претендующие па роль сигналов, находят свое объяснение и в рамках моделей, не апеллирующих к возникновению QGP. Кроме того, характеристики вторичных адронов, которые могут служить сигналами присутствия QGP, существенно зависят от сценария, т.е. конкретной схемы фазового перехода, ибо они формируются главным образом на этапе фазового перехода и последующей адронизации сгустка QGP (при определенном влиянии всего процесса эволюции сгустка).
Следует подчеркнуть, что реализация конкретного (одного из возможных) сценария фазового перехода - процесс вероятностный: в индивидуальных событиях,
отвечающих одним и тем, же начальным условиям, реализуются (с некоторой вероятностью) различные сценарии, причем даже маловероятные механизмы адроїшза-ции могут срабатывать в отдельных редких событиях. Выявление этих эффектов требует как детального теоретического анализа возможных сценариев адронизации, так и тщательного исследования экспериментальных данных на уровне анализа индивидуальных событий.
Таким образом, поиск сигналов QGP на эксперименте представляется задачей типа "распознавания образа": выделение в каком-либо событии нескольких наиболее характерных и самосогласованных признаков, отвечающих определенному сценарию эволюции и адронизации QGP, представляется серьезным свидетельством присутствия QGP в данном событии, даже если каждый отдельно взятый признак (эффект) и можно интерпретировать, не выходя за рамки обычных представлений о парных взаимодействиях нуклонов.
В свете всего сказанного исследование фазовых переходов из QGP в адронную материю приобретает первостепенное значение.
Цель работы. Целью диссертации является теоретическое исследование харак тсра фазовых переходов между адронной материей, II, и кварк-глюонной плазмой, QGP, с учетом возможности существования промежуточной стабильной фазы, Q, (в которой массивные конституентные кварки существуют в состоянии деконфая-нмента) и сравнение полученных результатов с выводами общепринятого подхода, основанного на предположении о прямом превращении Н -f+ QGP.
Новизна работы. В данной работе рассматривается не только прямое превращение QGP в адронную материю, QGP «-> II, но и впервые детально рассматривается концепция двух независимых фазовых переходов с участием промежуточной фазы свободаых конетитуенгных кварков, QGP «Qh II.
Впервые детально исследуются характериистики фазовых переходов QGP <-+ Q и Q f-> II. Анализируется проблема несохранения удельной энтропии в каждом из рассматриваемых переходов и предлагается новый способ ее решения - путем коррекции уравнения состояния только промежуточной фазы Q.
Впервые проведен анализ зарождения новой фазы внутри старой (метастабиль-ной) для переходов QGP -> Q и Q ~> Я. Предложена модель зарождения, содержащая единственный феноменологический параметр для описания всех рассматриваемых переходов.
Впервые рассматриваются различные сценарии адронизации горячего сгустка QGP с учетом двойного фазового перехода QGP -+ Q -> Я.
Научная ценность работы. Детально разработана Модель Двойного Фазового Перехода (Double Phase Transition Model, DPTM), основанная на представлении о существовании промежуточной стабильной фази Q, в которой конституентные кварки свободны, но киралыгая симметрия еще нарушена. Эга концепция открывает интересные возможности выявления специфических сигналов QGP и сигналов самой Q фазы для сравнения с экспериментальными данными, как уж почучртгьтми, так и ожидаемыми в недалеком будущем.
Важным выводом анализа модели DPTM является предсказание того, что состояние декояфайнмента массивных констит'*гептпых коркой (т.е. О фаза) может возникнуть в соударениях тяжелых ионов при сравнительно низких энергиях в системе цетра инерции (на порядок ниже, чем это необходимо для образования QGP), и. таким образом, может наблюдаться уже при энергиях ускорителей Дубны, Безалака или даже GSI.
Описание и анализ возможных сценариеч адронпэадии горячего сгустка QGP, впервые проведенное в рамках модели DPTM, является базой для последующего детального анализа характера спектров конечных адронов в каждом конкретном сценарии. Такой подход дает возможность поиск экспериментальных сигналов QGP свести к задаче распознавания образа сценария адронизации на уровне анализа индивидуальных событий ("event-by-event" анализ).
Основные положения, выносимые на защиту.
1. В рамках принятых модельных уравнений состояния (типа мешка) устано
влена область существования стабильной промежуточной фазы Q, в которой массив
ные конституентные кварки существуют в стадии декопфайнмента с определенной
примесью 7Г- мезонов (играющих роль голдстоуновских частиц). Исследованы харак
теристики фазовых переходов QGP о Q и Q <-> //'.
-
Проблема несохраяенля удельной энтропии при пересечении границ фазового равновесия, актуальная для прямого перехода QGP <-* II, решается в рамках рассматриваемой модели: сохранение удельной энтропии и обратимость фазовых переходов QGP <-» Q и Q f+ II могут быть обеспечены путем модификации единственного модельного параметра - постоянной мешка в промежуточной Q фазе.
-
Проведен кинетический анализ зарождения очага новой фазы для переходов QGP -> Q, Q -> Н и QGP -> IT; оценены времена жизни метастабилъных состояний QGP и Q фаз. Характерное время зарождения новой фазы при всех рассматриваемых фазовых переходах вичнсляется при введении единственного феномепологнческого параметра. Показано, что вероятность длительного переохлаждения QGP оказывается значительно выше, чем для Q фазы; переход QGP -> // при любой темпсратре плазмы менее вероятен, чем переход в промежуточную фазу QGP —> Q.
-
Анализ возможных стационарных режимов процессов фазового перехода
QGP -+ Q и Q -> II в рамках аппарата релятивистской теории горения сплошной среды показывает, что для всех рассматриваемых переходов возможными оказываются два типа режимов перехода: медленные, квазиравновесные режимы типа испарения или дефлаграции, и быстрые, взрывные режимы типа детонации (переходы из переохлажденной метастабилыюй фазы). Исследованы характеристики этих режимов.
Исследованы мульти-разрывные стационарные процессы одновременного (параллельного) перехода, QGP —N О => И\ покидано, что подобные механизмы представляются наиболее стабильными и аффективными для адронизации переохлажденной плазмы.
5. Многообразие сценариев эволюции и адронизации горячего сгустка QGP с учетом возможности образования промежуточной Q-фазы окалывактси значительно шире, чем в модели с единственным фазовым переходом QGP —» Н. Проведенный качественный анализ возможных сценариев адронизации демонстрирует необходимость детального анализа экперименгальдъгх данцых на уровне индивидуальных событий ("event-by-event" анализ).
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на научных семинарах ФИАН; на сессии ОЯФ РАН в ИТЭФ в 1995г.; на международной конференции "Hot Hadronic Matter: Theory and Experiment" в 1994г. (Девопп, Франция); на 2-ой международной конференции памяти Л.Д.Сахарова в 1996г. (Москва); на. международной конференции "Кварковая Материя 96" (Гейдельберг, Германия).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 15 публикациях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка литературы из 195 наименований. Общий объем диссертации составляет 167 страниц. Диссертация содержит 36 рисунков и 1 таблицу.
Похожие диссертации на Фазовые переходы в адронной материи с учетом промежуточной фазы конституентных кварков
