Plazma Kwarkowo Plazma Kwarkowo-Gluonowa

Plazma KwarkowoKwarkowo-Gluonowa
Nowy Stan Materii
Stany skupienia (fazy) materii (1)
p=const
Tempeeratura,, T
Gaz (cząsteczkowy lub atomowy)
2008--03
2008
03--31
wrzenie
Ciecz
topnienie
Ci
Ciało
ł stałe
t ł (k
(kryształ)
t ł)
Marek Kowalski
Diagram fazowy
w tym obszarze nie ma przejścia fazowego
punkt krytyczny
p
yy
y–p
powyżej
y j tejj
temperatury gazu nie można skroplić
niezależnie od wartości ciśnienia
T – topnienie K – krzepnicie
P – parowanie Sk - skraplanie
S – sublimacja R - resublimacja
2008--03
2008
03--31
równowaga trzech stanów skupienia
Marek Kowalski
Tempeeratura,, T
Stany skupienia materii (2)
Plazma
Pla ma elektronowoelektronowo
elektrono o-jądrowa
jądro a
Plazma elektronowo
elektronowo--jonowa
jonizacja
Gaz (cząsteczkowy lub atomowy)
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski
90% Wszechświata
Parametry plazmy występującej w przyrodzie i technice
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski
Tem
mperatuura, T
Stany skupienia materii (3)
Plazma nukleonowo
nukleonowo--elektronowa (nugaz)
dysocjacja jąder
Plazma elektronowo
elektronowo--jądrowa
Plazma elektronowoelektronowo-jonowa
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski
zewnętrzne
ę
warstwy
y
eksplodującej supernowej
Czy to już koniec?
W poszukiwaniu
ki
i elementarności…
l
t
ś i
Które cząstki są naprawdę elementarne?
atom – nie
jądro atomowe – nie
nukleony (protony i neutrony) – też nie
W promieniowaniu
i i
i kkosmicznym
i
odkryto
dk t zupełnie
ł i nowe cząstki,
tki rozwój
ój techniki
t h iki
akceleratorowej zaowocował odkryciem kilkudziesięciu, potem kilkuset nowych cząstek
– gdzie tu elementarność???
leptony – oddziaływują słabo i elektromagnetycznie
e, μ , ν
bariony
p , n, Δ
mezony
π , ρ, ω
hadrony – oddziaływują silnie i elektromagnetycznie
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski
Cząstki dziwne – początkowo zaobserwowane w promieniowaniu kosmicznym,
póżniej również w eksperymentach akceleratorowych
K± → μ± + νμ
V0-Topology
Topology
p
Kink-Topology
Kink
Topology
π-
π+
K0 → π+ + π−
Nowe cząstki miały czas życia charakterystyczny
dla oddziaływań słabych.
słabych
Coś nie pozwalało im rozpadać się silnie (jądrowo)
Aby to wyjaśnić wprowadzono nową liczbę kwantową
tzw. dziwność
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski
Λ
πK0
π-
Co zrobić z nadmiarem szczęscia?
Murray GellGell-Mann, George Zweig (1964) – istnieją 3 elementarne cząstki, tzw. kwarki,
z których można zbudować wszystkie pozostałe
kwark
ładunek
L. barionowa
dziwność
u
(górny)
+2/3
1/3
0
d
(dolny)
-1/3
1/3
0
s
(dziwny)
-1/3
bariony
proton (uud)
neutron (udd)
_
mezony
1/3
qq
-1
_
π+ ( u d )
π-
2008--03
2008
03--31
qqq
Marek Kowalski
_
(d u )
Kolor kwarków
w danym stanie kwantowym
może znajdować się tylko
jeden fermion
Kwarki są fermionami – mają spin połówkowy
własny moment pędu w układzie,
w którym cząstka spoczywa;
1
S= h
2
nie wynikający z ruchu
względem innych cząstek
co zrobić np. z cząstką Δ++ ?
(uuu), spin
3
h
2
Δ++
u
kwarki maja
j dodatkową
ą
cechę – ładunek kolorowy
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski
u
u
cząstka
jest biała
W kolejnych latach odkrywano następne kwarki – c, b, t
kwark
ładunek
l. barionowa
zapach
u
( ó )
(górny)
2/3
1/3
U=1
d
(dolny)
-1/3
1/3
D = -1
s
(dziwny)
-1/3
1/3
S = -1
c
(powabny)
2/3
1/3
C=1
b
(piękny)
-1/3
1/3
B = -1
t
(szczytowy)
2/3
1/3
T=1
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski
Czy kwarki istnieją?
• Wszystkie znane cząstki można zbudować z kwarków
• Nie znaleziono cząstek,
ą
, których
y nie można zbudować z kwarków
• Przewidywania modelu kwarków zostały potwierdzone eksperymentalnie
Nie znaleziono swobodnych kwarków
Czy są to tylko obiekty matematyczne?
A może kwarki nie mogą istnieć jako cząstki swobodne – asymptotyczna swoboda
Siły oddziaływań między kwarkami rosną
tym bardziej im bardziej je od siebie oddalamy
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski
Nukleony mają strukturę
Eksperymenty potwierdziły istnienie w nukleonie 3 obiektów o ładunkach ułamkowych
Te same eksperymenty wykazały, że kwarki niosą tylko połowę pędu nukleonu…
Gdzie jjest reszta? Resztę
ę niosą
ą cząstki
ą
odpowiedzialne
p
za oddziaływania
y
kwarków
tzw. gluony.
q
e+
e-
γ
q
2 jety
q
e+
e-
γ
g
q
Obserwacja eksperymentalna gluonów – e+e- PETRA
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski
3 jety
A skoro nukleony mają strukturę…
strukturę
Co sięę stanie,, gdy
g y „podgrzejemy”
„p g j y nukleonyy
(lub mezony) ?
nukleony
mezony
2008--03
2008
03--31
„biały”
bi ł ” gaz kwarkowokwarkowo
k k
-gluonowy
l
o niezerowej liczbie barionowej
„biały”
y ggaz kwarkowo
kwarkowo--gluonowy
g
y
o zerowej liczbie barionowej
Marek Kowalski
Plazma kwarkowo
kwarkowo--gluonowa (QGP)
dysocjacja nukleonów lub mezonów
Plazma nukleonowo
nukleonowo--elektronowa ((nugaz)
g )
Temper
T
ratura, T
dysocjacja jąder
Plazma
Pla ma elektronowoelektronowo
elektrono o-jądrowa
jądro a
Plazma elektronowo
elektronowo--jonowa
jonizacja
Gaz (cząsteczkowy lub atomowy)
wrzenie
Ciecz
2008--03
2008
03--31
topnienie
Ciało stałe (kryształ)
Marek Kowalski
Diagram fazowy materii jądrowej
punkt krytyczny
plazma kwarkowokwarkowo-gluonowa
nadprzewodnictwo kolorowe
skorelowana
k l
ffaza kkolorkolor
l -zapach
h
„zwykła” materia hadronowa
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski
Prosty przepis na plazmę kwarkowo gluonową
l
zgniatamy
2008--03
2008
03--31
podgrzewamy
Marek Kowalski
i mamy plazmę
A tak naprawdę….
Bierzemyy dwa obiekty
y
zawierające dużo
kwarków – najlepiej
ciężkie jądra atomowe,
rozpędzamy do wielkich
prędkości, zderzamy ze
soba i…
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski
… i mamy problem…
Kwarki i gluony nie występują jako cząstki swobodne
Obserwujemy tylko stany końcowe
końcowe, czyli „zwykłe
zwykłe” cząstki
O istnieniu
i t i i plazmy
l
kkwarkowokwarkowo
k
-gluonowej
l
j musimy
i
wnioskować
i k
ć
na podstawie charakterystyk stanów końcowych.
Musimy zdefiniować zbiór wielkości mierzalnych (obserwabli),
charakterystyczny
h kt
t
dla
dl wytworzonego
t
nowego stanu
t
materii
t ii
Ciekawe jest wszystko, co nie jest trywialną superpozycją
oddziaływań nukleon-nukleon
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski
Jak szukamy PKG ?
P t b są:
Potrzebne
• barometr
¾ gęstość energii uzyskana z widm zmiennych podłużnych – rapidity
• te
termometr
o et
¾ temperatura z widm zmiennych poprzecznych – masa poprzeczna
• sejsmometr
¾ wszelkiego rodzaju nietrywialne fluktuacje rozkładów krotności, widm itp..
dynamiczne, nie statystyczne
Interesujące są również wszelkie zmiany składu produkowanych cząstek w stosunku
do oddziaływań proton
proton--proton i protonproton-jadro
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski
Zmienne p
podłużne i p
poprzeczne
p
y=
1 E + p||
ln
2 E − p||
η = − ln tan
mT = P⊥2 + m02
ϑ
2
O wyższości rapidity nad pędem podłużnym:
P||' = γ ( P|| − β t )
1 1+ β
y ⇒ y + ln
2 1− β
'
β
2008--03
2008
03--31
pęd podłużny nie jest niezmienniczy
względem transformacji Lorentza
rozkłady rapidity są niezmiennicze względem
transformacji Lorentza wzdłuż osi zderzenia
(kształt rozkładu się nie zmienia)
Marek Kowalski
v
1
β= , γ =
c
1− β 2
Gęstość
G
t ść energiiii jjestt
proporcjonalna do
maksimum gęstości
rozkładu rapidity
(b
(barometr)
t)
Tu nie widać żadnych fluktuacji
(sejsmometr słabo działa)
Temperatura jest odwrotnie
proporcjonalna do nachylenia
rozkładu masy poprzecznej
(termometr)
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski
Przejścia
j
fazowe
Transformacja układu termodynamicznego z jednej fazy do drugiej
Przejście fazowe pierwszego rzędu:
nieciągłość pierwszej pochodnej energii swobodnej
względem zmiennej termodynamicznej
topnienie, parowanie, skraplanie…
miara pracy możliwej do
wykonania przez układ
Przejście fazowe drugiego rzędu:
nieciągłość drugiej pochodnej energii swobodnej
ferromagnetyk -> paramagnetyk
powyżej temperatury Curie,
nadprzewodnik - przewodnik
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski
A jak jest z naszą plazmą?
Przejście z jednej fazy do drugiej nie musi być przejściem fazowym
Istnieje możliwość tzw. „crossover” , czyli zmiany fazy przy zachowaniu
ciągłości pochodnych
granica StefanaStefana-Boltzmanna
nieosiągalna -raczej ciecz niż gaz
teoria
raczej „crossover” niż przejście fazowe
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski
Czy plazma już została odkryta?
2001 – CERN donosi o odkryciu PKG
• wynik
ik mocno pośredni
ś d i
• wnioski oparte na braku możliwości równoczesnego wyjaśnienia
wszystkich obserwowanych efektów
RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider):
• zaobserwowano nowy stan materii
• zaskakujący wynik – nowy stan zachowuje się jak nadciekła ciecz
a nie jak gaz nieoddziałujących kwarków i gluonów
Ostatnie słowo będzie należało do LHC
2008--03
2008
03--31
Marek Kowalski