QCD Angelegenheit - QCD matter

Quark Materie oder Quark-Materie ( quantum chromodynamischen ) bezieht sich auf eine beliebige Anzahl von hypothetischen Phasen der Materie , deren Freiheitsgrade umfassen Quarks und Gluonen , deren prominentes Beispiel ist Quark-Gluon - Plasma . Mehrere Konferenzreihen in den Jahren 2019, 2020 und 2021 widmen sich diesem Thema.

Quarks werden bei extrem hohen Temperaturen und/oder Dichten in Quarkmaterie freigesetzt, und einige von ihnen sind immer noch nur theoretisch, da sie so extreme Bedingungen erfordern, dass sie in keinem Labor hergestellt werden können, insbesondere nicht unter Gleichgewichtsbedingungen. Unter diesen extremen Bedingungen wird die bekannte Struktur der Materie zerstört , deren Grundbestandteile Kerne (bestehend aus Nukleonen, die gebundene Zustände von Quarks sind) und Elektronen sind. Bei Quark-Materie ist es zweckmäßiger, die Quarks selbst als Grundfreiheitsgrade zu behandeln.

Im Standardmodell der Teilchenphysik wird die starke Kraft durch die Theorie der QCD beschrieben . Bei gewöhnlichen Temperaturen oder Dichten dieser Kraft nur darauf beschränkt , den Quark in Kompositpartikel ( Hadronen ) der Größe von etwa 10 -15  m = 1  Femtometer = 1 fm (entsprechend die Energieskala QCD Λ QCD  ≈ 200  MeV ) und ihre Wirkungen sind nicht bemerkbar bei längere Distanzen.

Wenn die Temperatur jedoch die QCD-Energieskala ( T der Ordnung 10 12  Kelvin ) erreicht oder die Dichte bis zu einem Punkt ansteigt, an dem der durchschnittliche Abstand zwischen den Quarks weniger als 1 fm beträgt ( chemisches Potenzial des Quarks μ um 400 MeV), sind die Hadronen in ihre konstituierenden Quarks geschmolzen, und die starke Wechselwirkung wird zum dominierenden Merkmal der Physik. Solche Phasen werden Quark-Materie oder QCD-Materie genannt.

Die Stärke der Farbkraft macht die Eigenschaften von Quark-Materie anders als Gas oder Plasma, sondern führt zu einem Aggregatzustand, der eher an eine Flüssigkeit erinnert. Bei hohen Dichten ist Quarkmaterie eine Fermi-Flüssigkeit , aber es wird vorhergesagt, dass sie bei hohen Dichten und Temperaturen unter 10 12 K Farbsupraleitung zeigt .

Ungelöstes Problem in der Physik :

QCD im nicht- störenden Regime: Quark-Materie . Die Gleichungen der QCD sagen voraus, dass sich bei hoher Temperatur und Dichte ein Meer aus Quarks und Gluonen bilden sollte. Welche Eigenschaften hat diese Phase der Materie ?

(mehr ungelöste Probleme in der Physik)

Auftreten

Natürliches Vorkommen

  • Nach der Urknalltheorie nahm die Materiephase im frühen Universum bei hohen Temperaturen, als das Universum nur wenige zehn Mikrosekunden alt war, die Form einer heißen Phase der Quarkmaterie an, die als Quark-Gluon-Plasma (QGP) bezeichnet wird.
  • Kompakte Sterne ( Neutronensterne ). Ein Neutronenstern ist viel kühler als 10 12 K, aber der Gravitationskollaps hat ihn auf eine so hohe Dichte komprimiert, dass man vernünftigerweise vermuten kann, dass im Kern Quarkmaterie existiert. Kompakte Sterne, die größtenteils oder vollständig aus Quarkmaterie bestehen, werden als Quarksterne oder seltsame Sterne bezeichnet .
  • QCD-Materie kann innerhalb des Kollapsars eines Gammastrahlenausbruchs existieren , wo Temperaturen von bis zu 6,7 x 10 13 K erzeugt werden können.

Zu diesem Zeitpunkt wurde kein Stern mit den von diesen Objekten erwarteten Eigenschaften beobachtet, obwohl einige Beweise für Quark-Materie in den Kernen großer Neutronensterne erbracht wurden.

  • Strangelets . Dies sind theoretisch postulierte (aber noch unbeobachtete) Klumpen seltsamer Materie, die nahezu gleiche Mengen an up-, down- und Strange-Quarks enthalten. Strangelets sollen im galaktischen Fluss hochenergetischer Teilchen vorhanden sein und sollten daher hier auf der Erde theoretisch in der kosmischen Strahlung nachweisbar sein , aber mit Sicherheit wurde kein Strangelet nachgewiesen.
  • Auswirkungen der kosmischen Strahlung . Kosmische Strahlung besteht aus vielen verschiedenen Teilchen, darunter auch hochbeschleunigte Atomkerne, insbesondere aus Eisen .

Laborexperimente legen nahe, dass die unvermeidliche Wechselwirkung mit schweren Edelgaskernen in der oberen Atmosphäre zur Bildung von Quark-Gluon-Plasma führen würde.

Laborexperimente

Flugbahnen von Partikeltrümmern von einer der ersten Blei-Ionen-Kollisionen mit dem LHC, wie sie vom ALICE- Detektor aufgezeichnet wurden . Das extrem kurze Erscheinen von Quark-Materie im Kollisionspunkt wird aus der Statistik der Trajektorien abgeleitet.

Obwohl Quark-Gluon-Plasma nur unter recht extremen Temperatur- und/oder Druckbedingungen auftreten kann, wird es aktiv an Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider LHC am CERN und dem Relativistic Heavy Ion Collider RHIC am Brookhaven National Laboratory untersucht .

Bei diesen Kollisionen tritt das Plasma nur sehr kurze Zeit auf, bevor es spontan zerfällt. Die physikalischen Eigenschaften des Plasmas werden untersucht, indem die Trümmer, die aus der Kollisionsregion austreten, mit großen Teilchendetektoren nachgewiesen werden

Schwerionenkollisionen bei sehr hohen Energien können kleine kurzlebige Weltraumregionen erzeugen, deren Energiedichte mit der des 20 Mikrosekunden alten Universums vergleichbar ist . Dies wurde erreicht, indem schwere Kerne wie Bleikerne mit hoher Geschwindigkeit kollidieren , und im Februar 2000 wurde vom SPS- Beschleuniger am CERN erstmals die Bildung von Quark-Gluon-Plasma behauptet .

Diese Arbeiten wurden an leistungsstärkeren Beschleunigern wie dem RHIC in den USA und ab 2010 am europäischen LHC am CERN im Grenzgebiet Schweiz-Frankreich fortgesetzt. Es gibt gute Hinweise darauf, dass am RHIC auch das Quark-Gluon-Plasma produziert wurde.

Thermodynamik

Der Kontext für das Verständnis der Thermodynamik von Quark-Materie ist das Standardmodell der Teilchenphysik, das sechs verschiedene Arten von Quarks sowie Leptonen wie Elektronen und Neutrinos enthält . Diese interagieren über die starke Wechselwirkung , den Elektromagnetismus und auch die schwache Wechselwirkung, die es ermöglicht, dass sich eine Quark-Geschmack in eine andere verwandelt. Elektromagnetische Wechselwirkungen treten zwischen Teilchen auf, die elektrische Ladung tragen; zwischen Partikeln, die Farbladungen tragen, treten starke Wechselwirkungen auf .

Die richtige thermodynamische Behandlung von Quark-Materie hängt vom physikalischen Kontext ab. Bei großen Mengen, die über lange Zeiträume existieren (die "thermodynamische Grenze"), müssen wir die Tatsache berücksichtigen, dass im Standardmodell nur die Quarkzahl (entspricht der Baryonenzahl ), die elektrische Ladung, die Achtfarben Gebühren und Leptonennummer. Jede von diesen kann ein assoziiertes chemisches Potential haben. Große Materiemengen müssen jedoch elektrisch und farbneutral sein, was die elektrischen und farbladungschemischen Potentiale bestimmt. Dies hinterlässt einen dreidimensionalen Phasenraum , der durch das chemische Potenzial des Quarks, das chemische Potenzial des Leptons und die Temperatur parametrisiert ist.

In kompakten Sternen würde Quark-Materie Kubikkilometer einnehmen und für Millionen von Jahren existieren, daher ist die thermodynamische Grenze angemessen. Die Neutrinos entweichen jedoch unter Verletzung der Leptonenzahl, sodass der Phasenraum für Quark-Materie in kompakten Sternen nur zwei Dimensionen hat, die Temperatur ( T ) und das chemische Potential der Quarkzahl μ. Ein Strangelet befindet sich nicht in der thermodynamischen Grenze des großen Volumens, daher ist es wie ein exotischer Kern: Er kann elektrische Ladung tragen.

Eine Schwerionenkollision befindet sich weder im thermodynamischen Grenzbereich großer Volumina noch in langen Zeiten. Abgesehen von der Frage, ob es ausreichend äquilibriert ist, damit die Thermodynamik anwendbar ist, gibt es sicherlich nicht genug Zeit für das Auftreten schwacher Wechselwirkungen, sodass der Geschmack erhalten bleibt und es für alle sechs Quark-Aromen unabhängige chemische Potenziale gibt. Die Anfangsbedingungen (der Aufprallparameter der Kollision, die Anzahl der Up- und Down-Quarks in den kollidierenden Kernen und die Tatsache, dass sie keine Quarks anderer Geschmacksrichtungen enthalten) bestimmen die chemischen Potentiale. (Referenz für diesen Abschnitt:).

Phasendiagramm

Gemutmaßt Form des Phasendiagramms von Quark-Materie, mit der Temperatur auf der vertikalen Achse und Quark chemisches Potentials auf der horizontalen Achse, die beide in Megaelektronenvolt .

Das Phasendiagramm der Quark-Materie ist weder experimentell noch theoretisch gut bekannt. Eine häufig vermutete Form des Phasendiagramms ist in der Abbildung rechts dargestellt. Sie ist auf Materie in einem kompakten Stern anwendbar, wo die einzigen relevanten thermodynamischen Potentiale das chemische Potential μ des Quarks und die Temperatur T sind.

Zur Orientierung zeigt es auch die typischen Werte von μ und T bei Schwerionenkollisionen und im frühen Universum. Für Leser, die mit dem Konzept eines chemischen Potentials nicht vertraut sind, ist es hilfreich, sich μ als Maß für das Ungleichgewicht zwischen Quarks und Antiquarks im System vorzustellen. Ein höheres μ bedeutet eine stärkere Verzerrung, die Quarks gegenüber Antiquarks bevorzugt. Bei tiefen Temperaturen gibt es keine Antiquarks, und dann bedeutet ein höheres μ im Allgemeinen eine höhere Dichte der Quarks.

Gewöhnliche Atommaterie, wie wir sie kennen, ist in Wirklichkeit eine Mischphase, Tröpfchen von Kernmaterie (Kerne), umgeben von Vakuum, das an der Tieftemperatur-Phasengrenze zwischen Vakuum und Kernmaterie bei μ = 310 MeV und T nahe Null existiert. Wenn wir die Quarkdichte erhöhen (dh μ erhöhen) und die Temperatur niedrig halten, gelangen wir in eine Phase immer mehr komprimierter Kernmaterie. Diesem Weg zu folgen entspricht einem immer tieferen Eingraben in einen Neutronenstern .

Schließlich findet bei einem unbekannten kritischen Wert von μ ein Übergang zu Quarkmaterie statt. Bei ultrahohen Dichten erwarten wir die farb-flavor-locked (CFL) Phase der farbsupraleitenden Quark-Materie. Bei mittleren Dichten erwarten wir einige andere Phasen (in der Abbildung als "Nicht-CFL-Quark-Flüssigkeit" bezeichnet), deren Natur derzeit unbekannt ist. Sie könnten andere Formen von farbsupraleitender Quark-Materie oder etwas anderes sein.

Stellen Sie sich nun vor, Sie beginnen in der linken unteren Ecke des Phasendiagramms im Vakuum mit μ =  T  = 0. Wenn wir das System aufheizen, ohne Quarks gegenüber Antiquarks zu bevorzugen, entspricht dies einer vertikalen Aufwärtsbewegung entlang der T- Achse. Zunächst sind Quarks noch eingeschlossen und wir erzeugen ein Gas aus Hadronen ( meistens Pionen ). Dann findet um T  = 150 MeV ein Übergang zum Quark-Gluon-Plasma statt: thermische Fluktuationen brechen die Pionen auf, und wir finden ein Gas aus Quarks, Antiquarks und Gluonen sowie leichteren Teilchen wie Photonen, Elektronen, Positronen usw. Diesem Weg zu folgen entspricht einer Reise weit in die Vergangenheit (sozusagen), in den Zustand des Universums kurz nach dem Urknall (wo Quarks gegenüber Antiquarks sehr gering bevorzugt wurden).

Die Linie, die vom Kern/Quark-Materie-Übergang aufsteigt und dann zur T- Achse zurückbiegt, wobei ihr Ende durch einen Stern markiert ist, ist die vermutete Grenze zwischen begrenzter und unbeschränkter Phase. Bis vor kurzem wurde auch angenommen, dass es eine Grenze zwischen Phasen ist, in denen die chirale Symmetrie gebrochen ist (niedrige Temperatur und Dichte) und Phasen, in denen sie nicht gebrochen ist (hohe Temperatur und Dichte). Es ist nun bekannt, dass die CFL-Phase eine chirale Symmetriebrechung aufweist und andere Quark-Materie-Phasen ebenfalls die chirale Symmetrie brechen können, so dass nicht klar ist, ob es sich wirklich um eine chirale Übergangslinie handelt. Die Linie endet am "chiralen kritischen Punkt ", der in dieser Abbildung durch einen Stern gekennzeichnet ist, der eine besondere Temperatur und Dichte darstellt, bei der auffällige physikalische Phänomene, analog zur kritischen Opaleszenz , erwartet werden. (Referenz für diesen Abschnitt:,).

Für eine vollständige Beschreibung des Phasendiagramms ist ein vollständiges Verständnis von dichter, stark wechselwirkender hadronischer Materie und stark wechselwirkender Quark-Materie aus einer zugrundeliegenden Theorie, zB der Quantenchromodynamik (QCD), erforderlich. Da eine solche Beschreibung jedoch das richtige Verständnis der QCD in ihrem nicht-perturbativen Regime erfordert, das noch lange nicht vollständig verstanden ist, bleibt jeder theoretische Fortschritt eine große Herausforderung.

Theoretische Herausforderungen: Berechnungstechniken

Die Phasenstruktur von Quark-Materie bleibt größtenteils mutmaßlich, da es schwierig ist, Berechnungen durchzuführen, die die Eigenschaften von Quark-Materie vorhersagen. Der Grund dafür ist, dass QCD, die Theorie, die die dominante Wechselwirkung zwischen Quarks beschreibt, bei den Dichten und Temperaturen von größtem physikalischem Interesse stark gekoppelt ist und es daher sehr schwierig ist, daraus Vorhersagen zu erhalten. Hier sind kurze Beschreibungen einiger der Standardansätze.

Gittereichtheorie

Das einzige derzeit verfügbare First-Principle-Berechnungswerkzeug ist die Gitter-QCD , dh Brute-Force-Computerberechnungen. Aufgrund eines technischen Hindernisses, das als Fermionzeichenproblem bekannt ist , kann diese Methode nur bei niedriger Dichte und hoher Temperatur (μ <  T ) verwendet werden und sagt voraus, dass der Übergang zum Quark-Gluon-Plasma bei etwa T  = 150 MeV stattfindet , kann es nicht verwendet werden, um die interessante farbsupraleitende Phasenstruktur bei hoher Dichte und niedriger Temperatur zu untersuchen.

Theorie der schwachen Kopplung

Da QCD asymptotisch frei ist , wird sie bei unrealistisch hohen Dichten schwach gekoppelt, und es können schematische Verfahren verwendet werden. Solche Verfahren zeigen, dass die CFL-Phase mit sehr hoher Dichte auftritt. Bei hohen Temperaturen sind schematische Verfahren jedoch noch nicht vollständig unter Kontrolle.

Modelle

Um eine grobe Vorstellung davon zu bekommen, welche Phasen auftreten könnten, kann man ein Modell verwenden, das einige der gleichen Eigenschaften wie QCD hat, aber einfacher zu manipulieren ist. Viele Physiker verwenden Nambu-Jona-Lasinio-Modelle , die keine Gluonen enthalten, und ersetzen die starke Wechselwirkung durch eine Vier-Fermion-Wechselwirkung . Zur Analyse der Phasen werden üblicherweise Mean-Field-Methoden verwendet. Ein anderer Ansatz ist das Taschenmodell , bei dem die Auswirkungen des Einschlusses durch eine additive Energiedichte simuliert werden, die nicht eingeschlossene Quark-Materie benachteiligt.

Effektive Theorien

Viele Physiker geben einen mikroskopischen Ansatz einfach auf und machen fundierte Vermutungen über die zu erwartenden Phasen (vielleicht basierend auf NJL-Modellergebnissen). Für jede Phase schreiben sie dann eine effektive Theorie für die niederenergetischen Anregungen in Form einer kleinen Anzahl von Parametern auf und verwenden sie, um Vorhersagen zu treffen, die es ermöglichen könnten, diese Parameter durch experimentelle Beobachtungen festzulegen.

Andere Ansätze

Hauptartikel: AdS/QCD

Es gibt andere Methoden, die manchmal verwendet werden, um Licht in die QCD zu bringen, aber aus verschiedenen Gründen haben sie noch keine brauchbaren Ergebnisse bei der Untersuchung von Quark-Materie erbracht.

1/N-Erweiterung

Behandeln Sie die Anzahl der Farben N , die tatsächlich 3 ist, als eine große Zahl und dehnen Sie in Potenzen von 1/ N aus . Es stellt sich heraus, dass bei hoher Dichte die Korrekturen höherer Ordnung groß sind und die Expansion irreführende Ergebnisse liefert.

Supersymmetrie

Das Hinzufügen von skalaren Quarks (Squarks) und fermionischen Gluonen (Gluinos) zur Theorie macht sie handhabbarer, aber die Thermodynamik der Quark-Materie hängt entscheidend davon ab, dass nur Fermionen eine Quark-Nummer tragen können, und von der Anzahl der Freiheitsgrade im Allgemeinen.

Experimentelle Herausforderungen

Experimentell ist es schwierig, das Phasendiagramm von Quark-Materie abzubilden, da es ziemlich schwierig war zu lernen, wie man im Laborexperiment mit Kollisionen relativistischer Schwerionen als experimentelle Werkzeuge auf ausreichend hohe Temperaturen und Dichte einstellt. Diese Kollisionen werden jedoch letztendlich Informationen über den Übergang von hadronischer Materie zu QGP liefern . Es wurde vermutet, dass die Beobachtungen kompakter Sterne auch die Informationen über die Tieftemperaturregion mit hoher Dichte einschränken können. Modelle der Abkühlung, des Spin-downs und der Präzession dieser Sterne geben Aufschluss über die relevanten Eigenschaften ihres Inneren. Wenn die Beobachtungen genauer werden, hoffen die Physiker, mehr zu erfahren.

Eines der natürlichen Themen zukünftiger Forschung ist die Suche nach der genauen Lage des chiralen kritischen Punktes. Einige ehrgeizige Gitter-QCD-Berechnungen haben möglicherweise Beweise dafür gefunden, und zukünftige Berechnungen werden die Situation klären. Schwerionenkollisionen könnten ihre Position möglicherweise experimentell messen, aber dies erfordert das Scannen über einen Bereich von Werten von μ und T.

Beweis

Im Jahr 2020 wurde nachgewiesen, dass die Kerne von Neutronensternen mit einer Masse von ~2 M ⊙ wahrscheinlich aus Quark-Materie bestehen. Ihr Ergebnis basierte auf der Gezeitenverformbarkeit von Neutronensternen während einer Neutronensternfusion, die von Gravitationswellenobservatorien gemessen wurde , was zu einer Schätzung des Sternradius führte, kombiniert mit Berechnungen der Zustandsgleichung bezüglich des Drucks und der Energiedichte des Sternkerns. Die Beweise waren stark suggestiv, bewiesen jedoch nicht schlüssig die Existenz von Quark-Materie.

Siehe auch

Quellen und weiterführende Literatur

  • Aronson, S. und Ludlam, T.: "Hunting the quark gluon plasma" , US Dept. of Energy (2005)
  • Letessier, Jean: Hadrons and Quark-Gluon Plasma , Cambridge Monographien über Teilchenphysik, Kernphysik und Kosmologie (Bd. 18), Cambridge University Press (2002)
  • S. Hände (2001). "Das Phasendiagramm der QCD". Zeitgenössische Physik . 42 (4): 209–225. arXiv : physik/0105022 . Bibcode : 2001ConPh..42..209H . doi : 10.1080/00107510110063843 . S2CID  16835076 .
  • K. Rajagopal (2001). "Befreit die Quarks" (PDF) . Strahllinie . 32 (2): 9–15.

Verweise

Externe Links