Индийский физик, член научного совета премьер-министра Индии, профессор Бикаши Синха (Bikashi Sinha), представил в ФИАНе последние результаты из области физики высоких энергий, которые неожиданным образом пересекаются с явлениями самого разного масштаба – от графена до нейтронных звезд.

Обычным, принятым с середины двадцатого века, термином «плазма» принято называть полностью или частично ионизированный газ, в котором при высоких температурах и давлении часть электронов отделяется от своих ядер. При этом все вещество в целом остается электрически нейтральным, хоть и разделяется на заряженные ионные и электронные облака. Нечто похожее предполагается и для кварк-глюонной плазмы, в которую при экстремальных условиях превращается адронное вещество. Только вместо электрического заряда здесь выступает цветовой – всегда нулевой для адронов, скомбинированных из цветных кварков, которые не способны существовать в свободном состоянии.

Предполагается, что Вселенная находилась в состоянии кварк-глюонной плазмы в первые микросекунды жизни Вселенной после Большого взрыва, и что кварк-глюонная плазма формируется на ранних стадиях ультрарелятивистских соударений тяжелых ионов.

Некоторые экспериментальные характеристики этих соударений указывают, что образующаяся в них кварк-глюонная среда по некоторым свойствам оказалась близким к идеальной жидкости. Правда, эта плазма с характерными значениями температур 10¹² К (для сравнения температура в недрах Солнца достигает лишь 15 млн. К) пока остается абстракцией, хоть косвенно и подтвержденной данными, о которых пойдет речь ниже. Еще удивительнее то, что эта абстракция обладает свойствами другой воображаемой физической модели – идеальной жидкости – жидкости, в которой отсутствуют вязкость и внутреннее трение. Предельно низкое значение вязкости идеальной жидкости оценено, оно выражается в отношении вязкости к плотности энтропии, и равно h/4π. Но даже для квантовой жидкости – сверхжидкого гелия – самого идеального из всех реальных, этот параметр оказался значительно больше.

Вязкость же кварк-глюонной плазмы, установленная в экспериментах на ускорителях, оказалось, лишь едва превышает этот предел.

Рис. 1. Андрей Леонидов.

Комментирует Андрей Леонидов, ведущий научный сотрудник отдела теоретической физики ФИАН:

«Результаты недавних экспериментов на ALICE (A large Ion Collider Experiment), одной из шести установок Большого адронного коллайдера (БАК), означают, что, этот объект не является обычной равновесной плазмой. Ведь если система обладает свойствами идеальной жидкости, то есть ее вязкость ничтожно мала, это либо означает, что составляющие ее частицы взаимодействуют очень сильно (настолько сильно, что каждый слой частиц тащит соседний без какого-либо напряжения), либо мы имеем дело с турбулентой средой, для которой также характерна аномально малая вязкость. Тем самым, мы имеем дело или с сильно взаимодействующей, или с турбулентной кварк-глюонной плазмой».

Впервые о свидетельствах существования кварк-глюонной плазмы заговорили еще после экспериментов на ускорителе RHIC Брукхейвейнской национальной лаборатории (Нью-Йорк). Однако о прямых наблюдениях этого состояния до сих пор говорить не приходится, поскольку экспериментально наблюдаются только потоки конечных бесцветных адронов. Например, на ускорителе ЦЕРН, предшественнике БАК о появлении плазмы говорили лишь по «совокупности ста улик». Одной из самых веских среди этих «улик» является наблюдение «эллиптического потока» – характерной зависимости количества частиц, разлетающихся в разные стороны после каждого столкновения ядер, от угла наблюдения. Причина такой неоднородности – в нецентральности столкновений ядер. В результате, в образовании кварк-глюонной плазмы участвует только часть нейтронов и протонов, а само облако плазмы имеет характерную эллиптическую форму.

Андрей Леонидов:

«Сейчас эллиптический поток проявляется и на LHC, но величина этого эффекта такова, что описание гидродинамического типа возникает как одно из естественных описаний поведения системы. И для ядер, которые нецентрально сталкиваются, распределение по импульсам разлетающихся частиц в каком-то смысле наследует геометрию зоны соударения, похожую на регбийный мяч. Там, где мяч сжат, давление больше. Соответственно, больше и импульс. Этот эффект был наблюден и оказался очень велик. А одно из его возможных объяснений – это как раз кварк-глюонная плазма, как идеальная жидкость».

Схожие результаты, вновь указывающие на существование кварк-глюонной плазмы, дали и последние эксперименты на БАК. При этом, как подчеркнул профессор Синха, это указание именно на существование сильновзаимодействующей плазмы (сильные взаимодействия также связывают кварки в протонах и нейтронах ядер материи), а не газа из слабовзаимодействующих, практически свободных кварков и глюонов, которые ожидали получить некоторые теоретики.

Рис. 2. Схема преобразования вещества с первых микросекунд после Большого взрыва до образования планет и галактик.

Модель кварк-глюонной плазмы также считается применимой к описанию поведения ранней Вселенной, которая характеризуется колоссальной плотностью энергии, температурой и давлением и, получается, предельно-идеальной вязкостью. Однако, такие же значения вязкости, согласно последним данным, характеризуют и газ электронов в чистом, недопированном графене.

Рис. 3. Бикаши Синха.

«Казалось бы, очевидно несвязанные системы обладают одинаковыми значениями удельной вязкости на энтропию. От идеальной жидкости, которая наблюдается в экспериментах на LHC и RHIC до ультрахолодного вырожденного Ферми-газа. От первых микросекунд ранней Вселенной до нейтронных звезд. От графена и даже до гигантских резонансов конечных ядер. Основная причина столь неожиданной универсальности может восходить к общей универсальности мира. В любом случае, перед нами, кажется, открывается совершенно новая область физики», – прокомментировал профессор Бикаши Синха.