Адроны, очарованные мезоны и поиски кварк-глюонной
плазмы
Юдичев Валерий Леонидович
Мои
научные интересы связаны с исследованием свойств адронов - элементарных частиц,
включающих мезоны и барионы. Адроны, в отличие от лептонов (например, электрона
или нейтрино), фотонов и векторных бозонов (переносчиков слабого
взаимодействия), не относятся к истинно элементарным частицам, а состоят из
более фундаментальных микроскопических объектов - кварков и глюонов. Их
взаимодействие друг с другом и определяет свойства адронов: массу, времена
жизни, вероятности различных процессов упругого и неупругого рассеяния адронов
с лептонами, адронов с адронами и т. п. Мне удалось описать некоторые свойства
легких мезонов в разреженном и в горячем мезонном газе в рамках
феноменологического подхода. В настоящее время я исследую свойства легких
мезонов уже в плотной барионной материи, где, как мы ожидаем, существуют формы
материи с экзотическими свойствами.
К
началу XXI века выяснение структуры и свойств адронов, а также плотной и
горячей адронной материи стало одной из самых актуальных проблем физики
элементарных частиц. Эта тема интенсивно обсуждается на международных
конференциях и в печатных изданиях. Особый интерес физиков к экстремально
горячим плотным средам связан с желанием обнаружить особое состояние материи -
так называемую кварк-глюонную плазму (КГП), существование которой предсказано
современной теорией сильного взаимодействия - квантовой хромодинамикой (КХД).
Согласно теории Большого взрыва, развитие Вселенной на ранних стадиях эволюции
определялось свойствами этой плазмы. Кроме того, материя в таком состоянии
может сформироваться внутри компактных звезд, наблюдаемых в настоящее время.
Существование особых фаз материи может быть причиной особого поведения
некоторых компактных звезд, процесс охлаждения которых не может быть объяснен
на основе старых моделей, которые не учитывают существование кварк-глюонной
плазмы в ядрах этих звезд.
Телескопы,
размещенные на околоземной орбите, позволили получить бесценный научный
материал по наблюдению компактных звезд. Это дало толчок в астрофизике к
развитию моделей звезд, учитывающих возможность существования КГП. Понятно, что
в таких обстоятельствах необходимо развивать теоретические методы, позволяющие
интерпретировать наблюдения и выявлять процессы, которые позволили бы судить о
существовании КГП. Эта большая комплексная проблема разбивается на несколько
самостоятельных задач, которые могут быть решены независимо. Одна из них -
микроскопическое описание свойств адронов в обычных и экстремальных условиях,
то есть исследование зависимости масс, времен жизни адронов и т. п. от
температуры и плотности.
Для
описания внутренних свойств адронов, таких как масса, константы распадов
адронов и их взаимодействия друг с другом посредством сильного и электрослабого
взаимодействия, требуются непертурбативные подходы. Среди них следует упомянуть
метод уравнений Дайсона-Швингера, Бете-Салпитера, разнообразные локальные и нелокальные
кварковые модели, основанные как на квантовой хромодинамике, так и на
феноменологии. В своих исследованиях я использовал различные версии киральной
кварковой модели, в которой исключены глюоны, а определяемое ими взаимодействие
кварков аппроксимировано сравнительно простым способом, позволяющим решать
задачи, не решаемые в КХД. Данная модель, модель типа Намбу-Йона-Лазинио,
получила развитие и позволила описать свойства скалярных, псевдоскалярных и
векторных мезонов, включая их основные состояния, а также первые радиальные
возбуждения. Мы предсказали массы скалярных мезонов - основных и
радиально-возбужденных, а также массы первых радиальных возбуждений
псевдоскалярных и векторных мезонов. Кроме того, мы вычислили ширину основных
распадов мезонов, идущих за счет сильного взаимодействия. По этой теме я с
соавторами опубликовал 24 статьи в реферируемых отечественных и зарубежных
изданиях, включая труды конференций.
Недавно,
используя кварковую модель типа Намбу-Йона-Лазинио, я исследовал поведение форм-факторов
пионов, h-, и h'-мезонов в области низких и больших энергий. Результат
согласуется с экспериментальными данными группы экспериментаторов CLEO, которые
наблюдали реакции рождения пиона и фотона из виртуального фотона с большими
пространственно-подобными 4-импульсами.
В
настоящее время наибольший интерес для меня представляют исследования свойств
мезонов в горячей и плотной среде. Эти исследования начаты недавно. За
прошедшие два года мы исследовали фазовую диаграмму кварковой материи при
температурах от 0 до 200 мегаэлектронвольт (МэВ), а также для значений
химического потенциала (определяет барионную плотность) от 0 до 400 МэВ. Мы
получили оригинальные результаты, поскольку для фиксации параметров в рамках
кварковой модели использовали оригинальную процедуру, которую прежде никто не
применял. Исследования выявили зависимость фазовой диаграммы, то есть условий и
типов фазовых переходов, от параметров модели. В основном результаты
согласуются с исследованиями других ученых в мире, подтверждая спонтанное
нарушение цветовой симметрии (фундаментальной симметрии сильного
взаимодействия) и образование так называемого цветного конденсата. Качественно
это явление аналогично известному феномену сверхпроводимости и, по аналогии,
названо цветной сверхпроводимостью.
Я
продолжаю исследования в этой области, изучая, как модифицируются спектры
мезонов в условиях плотной материи, в которой сформировался цветной конденсат.
Уже получены предварительные результаты по зависимости конституэнтной массы
u(d)-кварков, цветной щели, масс скалярного и псевдоскалярного мезонов при
нулевой температуре и высокой барионной плотности. Эти результаты можно
применить для селекции процессов, которые смогли бы послужить отличительными
сигналами существования кварковой материи с необычными свойствами (цветная
сверхпроводимость). Подобные эксперименты на строящихся установках LHC в ЦЕРН
(Швейцария-Франция) и SIS-200 в GSI (Дармштадт, Германия), на которых будут
получены достаточно плотные образования кварковой материи при соударениях ионизированных
атомом урана. До сих пор исследования проводились для свинца, серы и золота на
установках AGE, SPS (ЦЕРН), а также на установке RHIC (Брукхевен, США).
Одновременно
с изучением свойств плотной и горячей кварковой материи мы исследовали
столкновения легких мезонов (пионов) в горячем мезонном газе в неравновесных
условиях. В таких условиях соударения частиц приводят к появлению большой
"ширины" у узких резонансов, таких как пион. В разреженной среде его
ширина крайне мала (несколько кэВ) и обусловлена вероятностью слабого распада
для заряженных пионов и электромагнитного распада для нейтральных пионов. А в
неравновесной среде ширина может достигать 80 МэВ (сравнима с массой покоя
пиона 140 МэВ) вблизи фазового перехода адронной материи в кварк-глюонную
плазму, что имеет существенное влияние на процессы с участием пионов в горячем
мезонном газе. Как следствие, имеется заметное отклонение в наблюдаемых
спектрах электрон-позитронных пар, которые излучаются при столкновениях тяжелых
ионов, от предсказаний для узких пионов. Большая ширина позволяет объяснить
этот наблюдаемый в эксперименте эффект.
В
рамках простой кварковой модели были получены также качественные оценки для
температурной зависимости массы и ширины очарованных (то есть содержащих
"очарованный" кварк) D- и D*-мезонов. Изучение параметров этих частиц
в горячей среде очень важно для понимания процессов диссоциации мезонов с явным
и скрытым "очарованием", имеющих непосредственное отношение к
проблеме поиска кварк-глюонной плазмы.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://elementy.ru/