Plazma kwarkowo-gluonowa - Polski Serwis Naukowy

Plazma kwarkowo-gluonowa (QGP z ang. Quark-Gluon Plasma) – stan materii jądrowej występujący przy wysokich temperaturach i dużej gęstości materii. Jest to mieszanina swobodnych kwarków i gluonów. Materia w takim stanie występowała w początkowym okresie po Wielkim Wybuchu. Obecnie, w zderzeniach jąder atomów ciężkich pierwiastków w akceleratorach, gdy energia materii jądrowej po zderzeniu osiąga $T \gtrsim 170 \text{GeV}$ , obserwuje się, że materia jądrowa zachowuje się bardziej jak ciecz nadciekła niż plazmowy gaz, co jest interpretowane jako sygnał powstania stanu plazmy kwarkowo-gluonowej.

Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN (fr. Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) — ośrodek naukowo-badawczy położony na północno-zachodnich przedmieściach Genewy na granicy Szwajcarii i Francji, pomiędzy Jeziorem Genewskim a górskim pasmem Jury. Obecnie do organizacji należy dwadzieścia państw. CERN zatrudnia 2600 stałych pracowników oraz około 8000 naukowców i inżynierów reprezentujących ponad 500 instytucji naukowych z całego świata. Najważniejszym narzędziem ich pracy jest największy na świecie akcelerator cząstek – Wielki Zderzacz Hadronów.

Gwiazda dziwna (gwiazda kwarkowa) – hipotetyczny typ gwiazdy zbudowanej z materii dziwnej. Istnienie takiej ultragęstej materii jest spekulowane wewnątrz bardzo masywnych gwiazd neutronowych. Modele teoretyczne sugerują, że gdy materia jądrowa w gwieździe (neutrinium – materia jądrowa w równowadze ze względu na słaby rozpad β) znajduje się pod wpływem dostatecznie dużego ciśnienia pochodzącego od grawitacji gwiazdy, zachodzi w niej proces dezintegracji nukleonów do materii kwarkowej. Gwiazda kwarkowa jest układem zawierającym plazmę kwarkową w równowadze ze względu na rozpad β (podobnie jak rozpad neutronów w gwieździe neutronowej), w skład której wchodzą kwarki (u, d, s) i gluony. Obecność gluonów opisuje stała B (nazywana stałą worka) oraz zmiana masy kwarków (masa efektywna). W chromodynamice (QCD) kwarki zyskują w plazmie kwarkowo-gluonowej znaczne masy (mu*=md* ~ 330 MeV/c², ms* ~ 450 MeV/c² (masy konstytuentne)). Swobodne kwarki gdy są ekstremalnie blisko siebie (swoboda asymptotyczna) posiadają niewielkie masy ((mu*=md* ~ 7 MeV/c², ms* ~ 150 MeV/c² (masy bieżące)).

Teoria budowy gwiazd mówi, że plazma kwarkowo-gluonowa może występować w niektórych rodzajach gwiazd – gwiazdach kwarkowych.

W plazmie kwarkowo-gluonowej, stanowiącej układ kwarków i gluonów, występują oddziaływania silne, dlatego podczas jej stygnięcia powstaje tzw. gaz hadronowy, co oznacza, że kwarki i gluony przechodzą w neutralne hadrony. Spadkowi temperatury towarzyszy zwiększanie objętości plazmy.

Wielki Wybuch (ang. Big Bang) – model ewolucji Wszechświata uznawany za najbardziej prawdopodobny. Według tego modelu ok. 13,75 (±0,11) mld lat temu[1] dokonał się Wielki Wybuch – z bardzo gęstej i gorącej osobliwości początkowej wyłonił się Wszechświat (przestrzeń, czas, materia, energia i oddziaływania).

Energia gr. ενεργεια (energeia) – skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca pod względem ilościowym stan układu fizycznego (materii) (z punktu widzenia termodynamiki niektóre formy energii są funkcjami stanu i potencjałami termodynamicznymi), stan i wzajemne oddziaływania obiektów fizycznych (ciał, pól, cząstek, układów fizycznych), przemiany fizyczne i chemiczne oraz wszelkiego rodzaju procesy występujące w przyrodzie.

Próby przeprowadzane w akceleratorach z wysokoenergetycznymi jądrami mające na celu wytworzenie plazmy kwarkowo-gluonowej, mogłyby doprowadzić w mikroskali do odtworzenia warunków, jakie panowały podczas Wielkiego Wybuchu. Od ponad 10 lat eksperymenty takie prowadzone są w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN koło Genewy. Wiązki jąder atomowych przyspieszane są tu do energii 200 GeV/nukleon w synchrotronie SPS.

Kwark – cząstka elementarna, fermion, posiadający ładunek koloru (czyli podlegający oddziaływaniom silnym). Według obecnej wiedzy cząstki elementarne będące składnikami materii można podzielić na dwie grupy. Pierwszą grupę stanowią kwarki, drugą grupą są leptony. Każda z tych grup zawiera po sześć cząstek oraz ich antycząstki. Istnieje więc sześć rodzajów kwarków oraz odpowiednio sześć rodzajów ich antycząstek – antykwarków.

Synchrotron – szczególny typ akceleratora cyklicznego, w którym cząstki są przyspieszane w polu elektrycznym wzbudzanym w szczelinach rezonatorów synchronicznie do czasu ich obiegu. W synchrotronie, tak jak w każdym cyklotronie (akceleratorze cyklicznym) przyspieszane cząstki krążą w polu magnetycznym. W miarę wzrostu energii przyspieszanych cząstek, pole magnetyczne jest zwiększane, by zachować stały promień obiegu cząstek.

W lutym 2010 roku naukowcy z Brookhaven National Laboratory pracujący przy akceleratorze RHIC wstępnie ogłosili utworzenie plazmy kwarkowo-gluonowej w temperaturze ok. 4 bilionów Kelwinów. Dalsze badania w tej dziedzinie ma prowadzić instytut CERN przy pomocy akceleratora LHC.

W akceleratorze LHC jony ołowiu będą ze sobą wzajemnie zderzane przy energiach 300 krotnie większych od energii osiąganych w obecnych eksperymentach. Fizycy teoretycy przypuszczają, że takie energie będą wystarczające do stworzenia plazmy kwarkowo-gluonowej. Zakłada się, że badania, które będą przeprowadzone z wykorzystaniem budowanego obecnie detektora ALICE, pozwolą dokładnie zbadać właściwości tej plazmy, co pozwoli zweryfikować Model Standardowy.

Jądro atomowe – centralna część atomu zbudowana z jednego lub więcej protonów i neutronów, zwanych nukleonami. Jądro stanowi niewielką część objętości całego atomu, jednak to w jądrze skupiona jest prawie cała masa. Przemiany jądrowe mogą prowadzić do powstawania ogromnych ilości energii. Niewłaściwe ich wykorzystanie może stanowić zagrożenie dla środowiska.

Język polski (polszczyzna) należy wraz z językiem czeskim, słowackim, pomorskim (kaszubskim), dolnołużyckim, górnołużyckim oraz wymarłym połabskim do grupy języków zachodniosłowiańskich, stanowiących część rodziny języków indoeuropejskich.

Historia

W 1978 roku po raz pierwszy E. Shuryak użył nazwy – plazma kwarkowo-gluonowa (QGP), (Yad. Fiz. 28 (1978) 796).

W 1995 akceleratorze SPS przyspieszano jądra ołowiu do energii 158 GeV/nukleon i zarejestrowano zderzenia jąder w detektorze.

Przypisy

Prelude to Compressed Baryonic Matter; Frank Wilczek "at high temperatures, strongly interacting matter should be described as a plasma of quarks and gluons" arXiv:1001.2729 (ang.) 15 Jan 2010

Linki zewnętrzne

Plazma kwarkowo-gluonowa Instytut Fizyki Jądrowej PAN (pol.)

Plazma kwarkowo-gluonowa Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (pol.)

Poszukiwanie plazmy kwarkowo gluonowej Instytut Fizyki Jądrowej PAN (pol.)

Plazma kwarkowo-gluonowa w akceleratorze RHIC Brookhaven National Laboratory (ang.)