Экстремальные состояния ядерной материи

Изучение экстремально горячей и плотной ядерной материи является актуальной задачей современной физики высоких энергий. Квантовая хромодинамика (КХД) предсказывает существование нового состояния материи – кварк-глюонной плазмы (КГП), которое может быть образовано в релятивистских столкновениях ядер [1]. С изучением свойств КГП связан целый ряд фундаментальных проблем, таких как  фазовые переходы в ядерной среде, состояние КХД вакуума, эволюция Вселенной и механизмы образования нейтронных звезд.

Кварк-глюонная плазма.

Как известно, в сильно нагретом или сжатом веществе могут происходить фазовые переходы в новое состояние. Хорошо знакомым примером является превращение льда в воду и воды в пар. Если сжимать или нагревать ядерную материю, в ней может возникнуть переход из адронной фазы в состояние кварк-глюонной плазмы. В этом состоянии кварки и глюоны выходят за пределы нуклона с радиусом порядка 1фм, образуя единый кварковый мешок макроскопических размеров, в объеме которого они могут двигаться почти свободно (рис.1). КГП может быть создана только в экстремальных условиях. Такие условия существовали спустя одну микросекунду после Большого Взрыва (высокая температура Т > 10¹² К) и, как ожидается, могут существовать в ядрах нейтронных звезд (высокая плотность, в десять раз превосходящая плотность ядерного вещества).

Рис.1.  Фазовые состояния воды и ядерного вещества.

В лабораторных условиях КГП может быть получена только в релятивистских  ядро-ядерных столкновениях. Теоретические оценки показывают, что при соударениях тяжелых ядер с энергией более 100 ГэВ на нуклон достигается барионная плотность, в 2-3 раза превышающая плотность стабильной ядерной материи. Кроме того, образующаяся в области перекрытия сталкивающихся ядер система сильно взаимодействующих адронов, называемая файерболом, существует достаточно долго и может достигнуть термодинамического равновесия при температуре около 200 МэВ, превышающей температуру фазового перехода в состояние КГП.  Этот горячий и плотный файербол образуется из нуклонов ядра-мишени и ядра-снаряда, испытавших хотя бы одно взаимодействие (рис.2). Такие нуклоны принято называть нуклонами-участниками. Размер файербола, очевидно, пропорционален полному числу участников, которое зависит от размеров сталкивающихся ядер и прицельного параметра и служит мерой центральности ядро-ядерных столкновений. В зависимости от прицельного параметра различают периферические и центральные взаимодействия ядер. В центральных столкновениях с близким к нулю прицельным параметром образуется файербол с максимальной плотностью энергии. Изучение свойств такого файербола является одной из главных задач современной физики высоких энергий.

Рис.2.  Столкновение двух ядер с прицельным параметром b.

Фазовая диаграмма ядерной материи. 

Первые сигналы КГП были получены на протонном суперсинхротроне SPSв ЦЕРНе в экспериментах NA49, NA50 и NA57. К наиболее убедительным сигналам теоретики относят подавление выхода J/Ψ-мезонов и увеличение выхода странных частиц, что и было обнаружено в столкновениях тяжелых ядер  при энергии 40-160 ГэВ на нуклон [2].

Рис.3. Столкновение двух ядер свинца при энергии 158 ГэВ на нуклон, смоделированное в рамках генератора событий (слева) и зарегистрированное в эксперименте NA49 (cправа).

Несмотря на то, что недавние эксперименты STAR и PHENIX на коллайдере релятивистских тяжелых ионов RHIС [3-4] при энергиях 60-200A ГэВ и проводимый в настоящее время эксперимент ALICE[5] на большом адроном коллайдере LHC при энергиях 1000-6000A ГэВ подтвердили образование КГП в столкновениях ядер золота и свинца, теоретическое описание этого нового состояния ядерной материи далеко от завершения. Необходимы дополнительные экспериментальные данные по ядро-ядерным столкновениям в области энергий 2-10 ГэВ, где лежит граница фазового перехода ядерного вещества в состояние КГП. Этот факт стимулировал продолжение экспериментов на SPScцелью поиска критической точки на фазовой диаграмме такого перехода (рис.4) и измерения функции возбуждения ядерной материи (рис.5).  Эта задача будет решаться коллаборацией NA61 [6]. Кроме того, начата проподготовка новых экспериментов на ускорительном комплексе FAIR [7]  в Дармштадте и на базе нуклотрона Объединенного Института Ядерных Исследований в Дубне (ОИЯИ). В рамках проекта NICA-MPD (Nuclotron-basedIonColliderfAcilitywithMulti-PurposeDetector) в ОИЯИ планируется создание многоцелевого детектора [8], предназначенного для детального изучения фазовой диаграммы ядерной материи. 

Рис.4.  Фазовые диаграммы воды и ядерного вещества. 

Рис.5.  Кривые нагревания воды и ядерного вещества.

Экспериментальные установки для изучения КГП.

В центральных столкновениях релятивистских ионов рождается большое число вторичных частиц, достигающее нескольких тысяч при энергии 10 ГэВ на нуклон (рис.3). В связи с этим экспериментальные установки, регистрирующие такие события, должны содержать трековые системы, обладающие большим аксептансом и высоким разрешением и быстродействием. 

Рис.6. Детекторный комплекс эксперимента ALICE (слева) и структура его внутреннего трекера (справа).

Рис.7. Детекторный комплекс эксперимента NICA-MPD (слева) и структура его внутреннего трекера (справа).

Основными трековыми детекторами установки ALICE(рис.6) и NICA-MPD(рис.7) являются время-проекционная камера (TPC) и внутренний трекер (IT) на базе кремниевых пиксельных и микростриповых детекторов, обладающих наилучшим пространственным разрешением при высокой скорости счета событий. Коллаборация NA61 также планирует создание кремниевого вершинного трекера, что позволит с высокой эффективностью регистрировать короткоживущие продукты ядро-ядерных взаимодействий. Рабочая группа под руководством Кондратьева В.П. принимает участие в разработке, моделировании и модификации вершинных трековых систем установок ALICE, NICA-MPDи NA61. Точная оценка эффективности регистрации трековых детекторов играет ключевую роль в реконструкции событий, приобретая особо важное значение на этапе планирования будущих экспериментов (рис.8). 

Рис.8. Массовый спектр Λ-частиц (m_Λ=1.116 ГэВ) в Au+Auстолкновениях при энергии 7 ГэВ на нуклон, зарегистрированных трековой системой установки NICA-MPD по заряженным продуктам их распада Λ⁰ → p+ π^- (слева) и эффективность регистрации заряженных частиц внутренним трекером в зависимости от их импульса (справа).

Литература.

[1] Дремин И.М, Леонидов А.В "Кварк-глюонная среда" ,УФН 180, 1167–1196 (2010).

[2] В.П.Кондратьев, Г.А.Феофилов. “Рождение странных частиц в релятивистских столкновениях тяжелых ионов”. Физика элементарныхчастиц иатомного ядра, 2011, т.42, вып. 6., с. 1721-1803.

[3] J.W. Harris et al., “The STAR experiment at the Relativistic Heavy Ion Collider”, Nucl.Phys. A566 (1994) 277c-286c.

[4] J.C. Gregory et al., “PHENIX experiment at RHIC”, Nucl.Phys. A566 (1994) 287c-298c.

[5] K. Aamodt et al. “The ALICE experiment at the CERN LHC”,JINST 3 (2008) 1-245. 

[6] N. Abgrall et al. “NA61/SHINE facility at the CERN SPS: beams and detector system”,CERN-PH-EP-2014-003, 2014, 55 p. (http://arxiv.org/abs/arXiv:1401.4699).

[7] B. Friman et al. “Compressed Baryonic Matter in Laboratory Experiments”, Series: Lecture Notes in Physics, Vol. 814, 1st Edition, 2011, 960 p.

[8] S.V. Afanasiev et al. “The MPD detector at the NICA heavy-ion collider at JINR”, NIM A, 628, 2011,  99–102.