Кубанский государственный технологический университет

Плавление атомных ядер происходит в два этапа?

22-01-2012
При лобовом столкновении двух тяжелых ядер на мгновение происходит плавление ядерного вещества с образованием кварк-глюонной плазмы, а затем осколки ядер разлетаются в разные стороны. Теоретические исследования свидетельствуют о том, что такое плавление может происходить в два этапа (изображение с сайта www.star.bnl.gov)

Применение голографической дуальности между теорией сильных взаимодействий и теорией гравитации привело к поразительному открытию: плавление атомных ядер может происходить в два этапа.

Теоретическое описание физических явлений опирается на математику.

Можно долго спорить о том, какую именно модель надо использовать для тех или иных явлений, но как только выписаны математические уравнения, их необходимо решать — и от этого никуда не денешься.

В физике микромира уравнения получаются, как правило, чрезвычайно сложными, и в точном виде их решить не удается. В результате приходится использовать приближенные методы, но и они срабатывают далеко не всегда. Самый известный из них — теория возмущений — помогает объяснить явления и вычислить наблюдаемые величины, если только взаимодействие между частицами незначительное. Такой подход становится бесполезным при описании сильных ядерных взаимодействий — как раз из-за того, что взаимодействие между разными частицами очень сильное. По теории возмущений не вычислишь массы протона и нейтрона, не проследишь, как они объединяются в ядра или как эти ядра «плавятся» при высокой температуре.

Стоит сказать пару слов о структуре ядер при низких и высоких температурах. При температурах существенно ниже триллиона градусов (то есть 100 МэВ) ядра считаются холодными; они состоят из отдельных нуклонов (протонов и нейтронов), которые, в свою очередь, построены из кварков, связанных глюонами. При этом наблюдается явление конфайнмента: кварки сидят внутри нуклонов и по всему ядру не путешествуют. Если же создать такие экзотические условия, что температура превысит триллионы градусов (например, столкнув ядра друг с другом на очень большой скорости), то произойдет деконфайнмент. Вместо набора нуклонов ядро превратится в кварк-глюонную плазму, в которой отдельные кварки уже не связаны друг с другом, а могут свободно перемещаться по всему сгустку ядерного вещества.

В 1998 году Хуан Малдасена открыл совершенно потрясающий метод изучения сложных явлений в теориях, похожих на теорию сильных взаимодействий. Этот метод опирается на голографическую дуальность, определенное соответствие между теориями типа сильного взаимодействия в нашем обычном мире и гравитацией в пространстве с большим числом измерений. (О деталях этого соответствия читайте в популярной статье Малдасены Иллюзия гравитации.) Сила этого метода заключается в том, что очень сложные явления в теории сильных взаимодействий отвечают простым явлениям в теории гравитации и наоборот. Именно это и позволяет узнать что-то о сильных взаимодействиях в режиме «интенсивной связи», там, где другие методы не работают.

Работа Малдасены стала одним из крупнейших открытий в теоретической физике за последние десять лет. В большинстве последующих работ этот метод использовался исключительно для нужд теории суперструн, но недавно выяснилось, что он помогает ответить и на вопросы, касающееся самой обычной ядерной физики. Так, в недавней статье физиков из США и Канады D. Mateos, R. C. Myers, and R. M. Thomson, Physical Review Letters, 97, 091601 (30 August 2006), доступной также как hep-th/0605046, описываются неожиданные результаты применения этого метода к описанию деконфайнмента.

Согласно дуальности, поведение кварков в теории сильных взаимодействий математически соответствует поведению некоторой мембраны — бесконечно протяженной «складке» гравитационного поля, — висящей в многомерном пространстве над некой черной дырой. У этой мембраны есть поверхностное натяжение, которое тем сильнее, чем меньше температура ядерного вещества.

Вычисления показали, что при низких температурах это поверхностное натяжение удерживает мембрану от падения внутрь черной дыры. Возвращаясь в «нормальный мир», можно доказать, что это отвечает ситуации с конфайнментом. При повышении температуры ядерного вещества мембрана становится всё более податливой, и при некоторой критической температуре начинает засасываться в черную дыру. Авторы статьи доказали, что связанный с этим фазовый переход как раз и приводит к деконфайнменту.

Однако тут начались сюрпризы: свойства этого фазового перехода оказались очень необычными. Авторы проанализировали, что именно в этой теории происходит с адронами — элементарными частицами, состоящими из кварков и участвующими в сильных взаимодействиях. В голографически дуальной картине они описываются колебаниями мембран. При низких температурах поверхностное натяжение мембран большое, а значит, массы этих адронов велики. Согласно вычислениям, при повышении температуры массы адронов уменьшаются из-за уменьшения поверхностного натяжения мембран, и в момент деконфайнмента становятся нулевыми. Поразительно, но сами адроны при этом не исчезали; становилась нулевой лишь их масса! А окончательное исчезновение адронов (то есть отсутствие колебаний мембран) наступало лишь при еще более высоких температурах.

Таким образом, использование дуальности помогло авторам открыть, что деконфайнмент происходит на самом деле в два этапа! Когда температура превышает первое критическое значение, по ядерному веществу начинают свободно гулять отдельные глюоны и безмассовые мезоны, но сами мезоны при этом не разваливаются на отдельные кварки. Это происходит лишь при превышении второго температурного порога, после которого уже можно сказать, что ядра окончательно расплавились.

Такая сложная структура фазовых превращений — полная неожиданность для теоретиков. Авторы обещают дать подробнейший анализ этого явления в своей будущей работе. Справедливости ради стоит отметить, что все описанные выше явления были получены не в рамках настоящей теории сильных взаимодействий, а в так называемом «приближении большого количества цветов», которое чуть проще для теоретического исследования. Однако авторы уверены, что подобные эффекты имеют место и в той теории сильных взаимодействий, которая реализуется в нашем мире. В частности, это открытие, по их мнению, может объяснить те странные свойства кварк-глюонной плазмы, которые были недавно открыты в экспериментах на коллайдере RHIC.

Игорь Иванов

‹‹