Физики СГУ разработали модель рождения частиц при столкновении ядер

Физики Саратовского университета создали математическую модель рождения кварков на ранней стадии формирования кварк-глюонной плазмы. Она учитывает взаимное влияние возникающих частиц и порождающего их поля. Модель поможет исследовать, как меняется вещество в экстремальных условиях после столкновения атомных ядер.

Протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра, образованы более мелкими частицами – кварками. Их взаимодействие обеспечивают глюоны. При экстремально высокой температуре кварки перестают быть связанными внутри отдельных протонов и нейтронов: возникает особое состояние вещества – кварк-глюонная плазма. Такое состояние существовало во Вселенной спустя доли секунды после Большого взрыва. Изучая его, исследователи стремятся больше узнать о внутреннем строении вещества и его свойствах при очень высоких энергиях.

Сегодня кварк-глюонную плазму кратковременно получают на мощных ускорителях при столкновениях тяжёлых атомных ядер, разогнанных почти до скорости света. Одна из задач физики – описать, что происходит сразу после столкновения, когда образовавшаяся система ещё не пришла к равновесию.

Саратовские учёные связали в модели описание частиц и порождающего их поля. В предыдущих исследованиях глюонное поле заменяли упрощённым аналогом, а его параметры подбирали вручную, чтобы получить нужное количество частиц.

Сильное глюонное поле может порождать пары кварков и антикварков – частиц и их античастиц. Кварки обладают особым зарядом, который физики называют цветовым. Их движение создаёт цветовые токи, изменяющие глюонное поле и влияющие на дальнейшее рождение частиц. Учёные учли эту обратную связь в уравнениях.

За основу исследователи взяли метод непертурбативной кинетической теории, разработанный соавтором работы – профессором кафедры нелинейной физики СГУ С.А. Смолянским. С его помощью можно описывать рождение частиц из вакуума под действием сильного поля и прослеживать, как со временем меняется их распределение по импульсам. Ранее этот подход успешно применяли в квантовой электродинамике – теории взаимодействия электромагнитного поля и заряженных частиц. Аналогичные методы использовали и для описания рождения носителей заряда в графене. Саратовские физики адаптировали его к квантовой хромодинамике – теории взаимодействия кварков и глюонов.

Чтобы сделать задачу доступной для дальнейшего решения, учёные учли две компоненты глюонного поля из восьми. Кроме того, они предположили, что поле одинаково во всех точках рассматриваемой области, но меняется со временем, а направление его поляризации фиксировано.

В результате авторы получили замкнутую систему уравнений, которая совместно описывает рождение кварков и изменение глюонного поля под влиянием частиц. Модель также позволяет учитывать начальные различия в распределении кварков и антикварков, связанные с нескомпенсированным электрическим зарядом в отдельных кварковых подсистемах.

На ускорителях высоких энергий проводят множество экспериментов, но описать происходящие при столкновениях частиц процессы математически очень сложно. Поэтому физики создают упрощённые модели, которые позволяют проводить расчёты и сравнивать их результаты с экспериментом. Наш метод вырос из гидродинамики и физической кинетики и ранее успешно применялся в квантовой электродинамике. Теперь мы адаптировали его к описанию рождения кварков. В перспективе результаты нашей работы могут использоваться для планирования экспериментов на ускорителях тяжёлых ионов, – поясняет доцент кафедры медицинской физики СГУ Вадим Владимирович Дмитриев.

В дальнейшем команда планирует постепенно усложнять модель: перейти от двух компонент глюонного поля ко всем восьми и построить более полное описание происходящих процессов.

Результаты работы опубликованы в журнале Physics of Particles and Nuclei.

Текст: Альфия Тимошенко
Фото: из личного архива В.В. Дмитриева

Источник: Минобрнауки России