Kvark-gluonska plazma

Kvark-gluonska plazma (engl. ) ili kvarkna supa^[2] je stanje materije u kvantnoj hromodinamici (engl. ) koje postoji pri ekstremno visokoj teperaturi i/ili gustini. Smatra se da se ovo stanje sastoji od asimptotski slobodnih snažno interagujućih kvarkova i gluona, koji su obično ograničeni zatvaranjem boje unutar atomskih jezgara ili drugih hadrona. To je analogno konvencionalnoj plazmi u kojoj se jezgra i elektroni, zatvoreni unutar atoma elektrostatičkim silama u uslovima okruženja, mogu slobodno kretati. Veštačka kvarkna materija, koja je proizvedena u Relativističkom sudaraču teških jona Nacionalne laboratorije u Brukhejvenu i Velikom hadronskom sudaraču CERN-a, može se proizvesti u samo sićušnim količinama, nestabilna je i nemoguće ju je zadržati. Ona se radioaktivno raspada u deliću sekunde u stabilne čestice putem hadronizacije. Proizvedeni hadroni ili njihovi proizvodi raspadanja i gama zraci mogu se tada detektovati. U faznom dijagramu kvarkna materija, QGP se postavlja u režim visoke temperature i velike gustine, dok je obična materija hladna i razređena mešavina jezgara i vakuuma, a hipotetične kvarkne zvezde bi se sastojale od relativno hladne, ali guste kvarkne materije. Smatra se da je svemir tokom nekoliko milisekundi nakon Velikog praska, bio u stanju kvark-gluonske plazme, što je poznato kao kvarkna epoha.

Kvark-gluonska plazma deo visoke gustine i visoke temperature na ovom pretpostavljenom faznom dijagramu za materiju jake interakcije.^[1]

Snaga sile boje znači da se za razliku plazme koja nalikuje gasu, kvark-gluonska plazma ponaša kao gotovo idealna Fermijeva tečnost, mada su istraživanja karakteristika protoka u toku.^[3] Istraživački timovi u RHIC-u^[4] i pri LHC-ovom Kompaktnom mionskom solenoidnom detektoru^[5] tvrdili su da to tečnost ili da postoji čak skoro savršen protok tečnosti sa gotovo nikakvim otporom trenja ili viskoznosti. QGP se razlikuje od „slobodnih” sudara po nekoliko svojstava; na primer, njen sadržaj čestica ukazuje na privremenu hemijsku ravnotežu koja stvara višak stranih kvarkova srednje energije nasuprot neravnomernoj distribuciji koja meša lagane i teške kvarkove („stvaranje stranosti”), i ne dozvoljava prolazak mlazova čestica („gašenje mlazom”).

Eksperimenti na CERN-ovom Super protonskom sinhrotronu (SPS) prvi su pokušali da stvore QGP tokom 1980-ih i 1990-ih. Rezultati su podstakli CERN da objavi indirektne dokaze o „novom stanju materije”^[6] 2010. godine. Naučnici pri Relativističkom sudaraču teških jona (RHIC) Brukhejvenske nationalne laboratorije saopštili su 2000. godine da su oni stvorili kvark-gluonsku plazmu sudarajući jone zlata gotovo brzinom svetlosti, dostižući temperaturu od 4 biliona stepeni Celzijusa.^[7] Eksperimenti iz 2017. godine pri RHIC na Long Ajlandu (Njujork, SAD) i pri CERN-ovom Velikom hadronskom sudaraču u blizini Ženeve (Švajcarska) nastavljaju ovaj napor,^[8][9] sudaranjem relativistički ubrzanog zlata i drugih vrsta jona (pri RHIC) ili olova (pri LHC) međusobno ili sa protonima.^[9] Tri eksperimenta na CERN-ovom Velikom hadronskom sudaraču (LHC), na spektrometrima ALICE,^[10] ATLAS i CMS, nastavili su proučavanjei svojstva QGP. CERN je privremeno prestao sa sudaranjem protona i počeli su rad na sudaranju olovnih jona za ALICE eksperiment 2011. godine, da bi stvorili QGP.^[11] Nova rekordno velika temperatura je ostvarena u ALICE: Velikom eksperimentu jonskog sudarača pri CERN-u, avgusta 2012. godine. Njihova publikacija u časopisu Nature, navodi temperaturni opseg od 5,5 biliona (5,510¹²) kelvina.^[12]

Opšti uvod

Kvark–gluonska plazma je stanje materije u kome su elementarne čestice koje sačinjavaju hadrone barionske materije oslobođene od njihove jake međusobne privlačnosti pod ekstremno visokim energetskim gustinama. Ove čestice su kvarkovi i gluoni koji sačinjavaju barionsku materiju.^[13] U normalnoj materiji kvarkovi su ograničeni; u QGP kvarkovi nemaju ta ograničenja. U klasičnoj QCD kvarkovi su fermionske komponente hadrona (mezoni i barioni), dok se gluoni smatraju bozonskim komponentama takvih čestica. Gluoni su nosači sile, ili bozoni, QCD sile boje, dok su sami kvarkovi njihovi fermionski pandani.

Iako su eksperimentalne visoke temperature i gustine predviđene kao neophodne za stvaranje kvark-gluonske plazme realizovane u laboratoriji, dobijena materija se ne ponaša kao kvazi idealno stanje slobodnih kvarkova i gluona, već, kao skoro savršena gusta tečnost.^[14] Zapravo, činjenica da kvark-gluonska plazma još uvek neće biti „slobodna” na temperaturama ostvarenim u sadašnjim akceleratorima predviđena je 1984. godine kao posledica preostalih efekata zatočenja.^[15][16]

Reference

1. Philip John Siemens, Aksel S. Jensen. Elements of Nuclei: Many-Body Physics with the Strong Interaction. Avalon Publishing 1994.
2. Bohr, Henrik; Nielsen, H. B. (1977). „Hadron production from a boiling quark soup: quark model predicting particle ratios in hadronic collisions”. Nuclear Physics B 128 (2): 275. Bibcode 1977NuPhB.128..275B. DOI:10.1016/0550-3213(77)90032-3.
3. „Quark-gluon plasma goes liquid”. physicsworld.com. Pristupljeno 4. 3. 2016.
4. „BNL Newsroom | RHIC Scientists Serve Up 'Perfect' Liquid”. www.bnl.gov. Pristupljeno 21. 4. 2017.
5. Eleanor Imster. „LHC creates liquid from Big Bang | Human World”. EarthSky. Pristupljeno 4. 3. 2016.
6. „A New State of Matter – Experiments”. Newstate-matter.web.cern.ch. 4. 2. 2000. Arhivirano iz originala na datum 2017-08-11. Pristupljeno 4. 3. 2016.
7. Overbye, Dennis (15. 2. 2010). „In Brookhaven Collider, Briefly Breaking a Law of Nature”. The New York Times. ISSN 0362-4331. Pristupljeno 21. 4. 2017.
8. „RHIC | Relativistic Heavy Ion Collider”. Bnl.gov. Pristupljeno 4. 3. 2016.
9. 'Perfect' Liquid Hot Enough to be Quark Soup^{[mrtav link]}
10. „Alice Experiment: The ALICE Portal”. Arhivirano iz originala na datum 13. 2. 2006. Pristupljeno 12. 7. 2005.
11. „The LHC enters a new phase”. Pristupljeno 23. 11. 2016.
12. „Hot stuff: CERN physicists create record-breaking subatomic soup : News blog”. Blogs.nature.com. 13. 8. 2012. Arhivirano iz originala na datum 2016-03-04. Pristupljeno 4. 3. 2016.
13. „Infocenter ILGTI: Indian Lattice Gauge Theory Initiative”. Arhivirano iz originala na datum 12. 2. 2005. Pristupljeno 20. 5. 2005.
14. WA Zajc (2008). „The fluid nature of quark-gluon plasma”. Nuclear Physics A 805 (1–4): 283c–294c. arXiv:0802.3552. Bibcode 2008NuPhA.805..283Z. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2008.02.285.
15. Plümer, M.; Raha, S. & Weiner, R. M. (1984). „How free is the quark-gluon plasma”. Nucl. Phys. A 418: 549–557. Bibcode 1984NuPhA.418..549P. DOI:10.1016/0375-9474(84)90575-X.
16. Plümer, M.; Raha, S. & Weiner, R. M. (1984). „Effect of confinement on the sound velocity in a quark-gluon plasma”. Phys. Lett. B 139 (3): 198–202. Bibcode 1984PhLB..139..198P. DOI:10.1016/0370-2693(84)91244-9.

Literatura

• Rafelski, Johann, ur. (2016) (en). Melting Hadrons, Boiling Quarks - From Hagedorn Temperature to Ultra-Relativistic Heavy-Ion Collisions at CERN. Cham: Springer International Publishing. Bibcode 2016mhbq.book.....R. DOI:10.1007/978-3-319-17545-4. ISBN 978-3-319-17544-7.
• E, Fortov Vladimr (2016) (en). Thermodynamics And Equations Of State For Matter: From Ideal Gas To Quark–gluon Plasma. World Scientific. ISBN 978-981-4749-21-3.
• Kapusta, J. I., ur. (2003). Quark–gluon plasma: theoretical foundations. Amsterdam: North-Holland. ISBN 978-0-444-51110-2.
• Yagi, Kohsuke; Hatsuda, Tetsuo; Miake, Yasuo (2005). Quark–Gluon Plasma: From Big Bang to Little Bang. Cambridge monographs on particle physics, nuclear physics, and cosmology. Cambridge: Cambridge Univ. Press. ISBN 978-0-521-56108-2.
• Florkowski, Wojciech (2010). Phenomenology of ultra-relativistic heavy-ion collisions. Singapore: World Scientific. ISBN 978-981-4280-66-2.
• Sarkar, Sourav, ur. (2010) (en). The Physics of the Quark–Gluon Plasma: Introductory Lectures. Lecture Notes in Physics. 785. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. arXiv:0810.3553. DOI:10.1007/978-3-642-02286-9. ISBN 978-3-642-02285-2.
• Stock, R., ur. (2010). Relativistic Heavy Ion Physics. Landolt-Börnstein - Group I Elementary Particles, Nuclei and Atoms. 23. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. DOI:10.1007/978-3-642-01539-7. ISBN 978-3-642-01538-0.
• Sahu, P. K.; Phatak, S. C.; Viyogi, Yogendra Pathak (2009) (en). Quark Gluon Plasma and Hadron Physics. Narosa Publishing House. ISBN 978-81-7319-957-8.
• Letessier, Jean; Rafelski, Johann (2002-05-30) (en). Hadrons and Quark–Gluon Plasma. Cambridge University Press. ISBN 978-1-139-43303-7.
• (en) The Physics of the Quark–Gluon Plasma. Lecture Notes in Physics. 225. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. 1985. DOI:10.1007/bfb0114317. ISBN 978-3-540-15211-8.
• Gazdzicki, Marek; Gorenstein, Mark; Seyboth, Peter (2020). „Brief history of the search for critical structures in heavy-ion collisions”. arXiv:2004.02255 [hep-ph, physics:nucl-ex, physics:nucl-th]. arXiv:2004.02255. Bibcode 2020arXiv200402255G.
• Rafelski, Johann (2020). „Discovery of Quark–Gluon Plasma: Strangeness Diaries” (en). The European Physical Journal Special Topics 229 (1): 1–140. arXiv:1911.00831. Bibcode 2020EPJST.229....1R. DOI:10.1140/epjst/e2019-900263-x. ISSN 1951-6401.
• Pasechnik, Roman; Šumbera, Michal (2017). „Phenomenological Review on Quark–Gluon Plasma: Concepts vs. Observations” (en). Universe 3 (1): 7. arXiv:1611.01533. Bibcode 2017Univ....3....7P. DOI:10.3390/universe3010007. ISSN 2218-1997.
• Satz, Helmut; Stock, Reinhard (2016). „Quark Matter: The Beginning” (en). Nuclear Physics A 956: 898–901. Bibcode 2016NuPhA.956..898S. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2016.06.002.
• Quercigh, E. (2012). „Four heavy-ion experiments at the CERN-SPS: A trip down memory lane” (en). Acta Physica Polonica B 43 (4): 771. DOI:10.5506/APhysPolB.43.771. ISSN 0587-4254.
• Gazdzicki, M. (2012). „On the history of multi-particle production in high energy collisions” (en). Acta Physica Polonica B 43 (4): 791. arXiv:1201.0485. Bibcode 2012arXiv1201.0485G. DOI:10.5506/APhysPolB.43.791. ISSN 0587-4254.
• Müller, B. (2012). „Strangeness and the quark–gluon plasma: thirty yars of discovery” (en). Acta Physica Polonica B 43 (4): 761. arXiv:1112.5382. DOI:10.5506/APhysPolB.43.761. ISSN 0587-4254.
• Heinz, Ulrich (2008). „From SPS to RHIC: Maurice and the CERN heavy-ion programme”. Physica Scripta 78 (2): 028005. arXiv:0805.4572. Bibcode 2008PhyS...78b8005H. DOI:10.1088/0031-8949/78/02/028005. ISSN 0031-8949.^{[mrtav link]}
• Baym, G. (2002). „RHIC: From dreams to beams in two decades” (en). Nuclear Physics A 698 (1–4): xxiii–xxxii. arXiv:hep-ph/0104138. Bibcode 2002NuPhA.698D..23B. DOI:10.1016/S0375-9474(01)01342-2.

Spoljašnje veze

Kvark-gluonska plazma na Wikimedijinoj ostavi

• The Relativistic Heavy Ion Collider at Brookhaven National Laboratory
• The Alice Experiment at CERN
• The Indian Lattice Gauge Theory Initiative
• Quark matter reviews: 2004 theory, 2004 experiment
• Quark-Gluon Plasma reviews: 2011 theory
• Lattice reviews: 2003, 2005
• BBC article mentioning Brookhaven results (2005)
• Physics News Update article on the quark-gluon liquid, with links to preprints
• Read for free : "Hadrons and Quark-Gluon Plasma" by Jean Letessier and Johann Rafelski Cambridge University Press (2002) ISBN 0-521-38536-9, Cambridge, UK;