Физики «развязали» магнитное поле и кварк-глюонную плазму

Физики-теоретики из Университета штата Айова показали, что магнитное поле, которое создают потоки заряженных частиц внутри кварк-глюонной плазмы, не превышает десяти процентов от поля внешних электронов. Это значит, что эволюцию магнитного поля и кварк-глюонной плазмы можно «развязать», то есть рассматривать их по отдельности. Статья опубликована в Physical Review C, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

В обычных условиях материя состоит из стабильных нейтральных «кирпичиков» — атомов, в которых положительный электрический заряд ядра скомпенсирован отрицательным зарядом окружающих его электронов. С другой стороны, если нагреть вещество до достаточно большой температуры, электроны оторвутся от ядер (частично или полностью), и «кирпичики», из которых сложена материя, нейтральными быть перестанут. При этом в целом вещество останется квазинейтральным, то есть совсем далеко заряженные частицы разбегаться не будут — характерную длину «разбегания» частиц можно сравнить с радиусом Дебая. Такое состояние вещества называют плазмой. Электрическая плазма возникает в звездах, внутри которых температура может достигать нескольких миллионов градусов, в ионосферах планет и во время вспышек молнии.

В то же время, если заглянуть еще на уровень глубже, окажется, что протоны и нейтроны, из которых складывается привычная для нас материя, а также другие адроны не являются по-настоящему элементарными частицами, но состоят из кварков. В обычных условиях кварки могут существовать только в составе адронов из-за конфайнмента — аналогично тому, как электроны, протоны и нуклоны связываются в атомы. Кроме того, каждый кварк обладает собственным цветным зарядом, который является аналогом электрического заряда для сильного взаимодействия, но в сумме заряды кварков всегда друг друга компенсируют, подобно электрическим зарядам в атомах. Например, барионы обязательно содержат по одному синему, красному и зеленому кварку, а мезоны — по кварку и антикварку. По аналогии с атомами можно сказать, что «кирпичики», из которых состоит материя, в целом бесцветны, то есть имеют нулевой цветной заряд.

Более того, оказывается, что эту аналогию можно продолжить и дальше. В середине 1980-х годов физики-теоретики показали, что при достаточно большом давлении и температуре адроны «растворяются» друг в друге, а входящие в их состав кварки свободно гуляют по всему объему вещества — возникает так называемая кварк-глюонная плазма (КГП). Температура такого фазового перехода значительно превышает температуру перехода в состояние обычной плазмы и достигает двух триллионов градусов (в более привычных для физиков единицах это отвечает энергии около 150 мегаэлектронвольт). Предполагается, что вещество Вселенной находилось в состоянии кварк-глюонной плазмы в первые десять пикосекунд после Большого взрыва, что может объяснить наблюдаемую асимметрию между материей и антиматерией. Получается, что для понимания происходящих тогда процессов важно хорошо изучить свойства КГП.

В настоящее время физики умеют получать кварк-глюонную плазму, разгоняя до огромных энергий и сталкивая на коллайдерах ионы тяжелых элементов. Правда, в таких столкновениях плазма возникает всего на несколько десятков йоктосекунд (10⁻²⁴ секунды). Тем не менее, этого достаточно, чтобы кварки перегруппировались и образовали характерные продукты реакций, по которым физики распознают и изучают свойства КГП. К сожалению, в таких столкновениях также рождаются очень сильные электромагнитные поля, которые могут влиять на свойства кварк-глюонной плазмы. В ноябре прошлого года группа физиков-теоретиков из Индии, Японии и Германии показала, что влиянием фонового электромагнитного поля на динамику плазмы можно пренебречь. Однако, чтобы окончательно «развязать» магнитное поле и КГП, нужно убедиться, что плазма не производит сильных магнитных полей сама по себе.

В новой статье физики-теоретики Эван Стюарт (Evan Stewart) и Кирилл Тучин (Kirill Tuchin) показали, что это действительно так, и магнитным полем, которое генерирует кварк-глюонная плазма сама по себе, можно пренебречь по сравнению с внешним полем, создаваемым оставшимися от ионов и продолжившими движение электронами. Для этого ученые выписали и аналитически решили уравнения Максвелла, то есть нашли запаздывающую функцию Грина системы ионов. Грубо говоря, эта функция связывает воздействие, которое прикладывается к системе, и ее отклик на воздействие. Оказалось, что в данном случае функцию Грина можно разбить на два независимых члена, один из которых отвечает «импульсу», генерируемому электронами (pulse), а другой — постепенно усиливающемуся полю, создаваемому электрическими токами внутри плазмы (wake).

Затем физики рассчитали с помощью найденных функций Грина векторный потенциал и магнитное поле в статичной плазме, объем которой не меняется со временем. Оказалось, что оба этих поля со временем затухают, причем поле токов внутри плазмы спадает медленнее. Тем не менее, вплоть до периодов времени порядка трехсот йоктосекунд, это поле значительно меньше поля «импульса», а при бо́льших периодах кварк-глюонная плазма перестает существовать. Это значит, что на практике электрическими токами внутри статичной плазмы можно пренебречь.

Наконец, ученые сравнили магнитное поле «импульса» и токов в расширяющейся со временем плазме, предполагая, что выражения, в которые входит скорость расширения, сравнительно малы, и их можно рассматривать в качестве возмущений к случаю статичной плазмы. Оказалось, что даже в этом случае вклад в магнитное поле электрических токов внутри плазмы не превышает десяти процентов в ходе всего рассматриваемого промежутка времени, в течение которого корректно говорить о существовании кварк-глюонной плазмы. Таким образом, авторы статьи заключают, что КГП не производит сильных магнитных полей сама по себе — следовательно, эволюцию магнитного поля и кварк-глюонной плазмы можно «развязать», то есть рассматривать по отдельности.

Обычно кварк-глюонная плазма возникает при столкновениях тяжелых ионов, например, свинца или золота. В самом деле, такие ядра содержат много кварков, что облегчает их «смешивание». Тем не менее, в октябре 2015 года группе PHENIX, работающей на американском коллайдере тяжелых ионов RHIC, удалось получить кварк-глюонную плазму, сталкивая легкие ядра дейтерия с ядрами золота. А в апреле 2017 года группа ALICE заметила следы кварк-глюонной плазмы, возникающей при столкновении протонов — самых легких известных барионов — на Большом адронном коллайдере.

С 2013 года в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне строится коллайдер NICA, главная задача которого — исследование кварк-глюонной плазмы. Хотя сам коллайдер еще не достроен, ученые уже проводят эксперименты в рамках этой программы, а в марте этого года ускоритель обзавелся собственным суперкомпьютером.

Дмитрий Трунин