Учебная работа № 1344. Адроны, очарованные мезоны и поиски кваркглюонной плазмы

Учебная работа № 1344. Адроны, очарованные мезоны и поиски кваркглюонной плазмы

Юдичев Валерий Леонидович

Мои научные интересы связаны с исследованием свойств адронов элементарных частиц, включающих мезоны и барионы. Адроны, в отличие от лептонов (например, электрона или нейтрино), фотонов и векторных бозонов (переносчиков слабого взаимодействия), не относятся к истинно элементарным частицам, а состоят из более фундаментальных микроскопических объектов кварков и глюонов. Их взаимодействие друг с другом и определяет свойства адронов: массу, времена жизни, вероятности различных процессов упругого и неупругого рассеяния адронов с лептонами, адронов с адронами и т. п. Мне удалось описать некоторые свойства легких мезонов в разреженном и в горячем мезонном газе в рамках феноменологического подхода. В настоящее время я исследую свойства легких мезонов уже в плотной барионной материи, где, как мы ожидаем, существуют формы материи с экзотическими свойствами.

К началу XXI века выяснение структуры и свойств адронов, а также плотной и горячей адронной материи стало одной из самых актуальных проблем физики элементарных частиц. Эта тема интенсивно обсуждается на международных конференциях и в печатных изданиях. Особый интерес физиков к экстремально горячим плотным средам связан с желанием обнаружить особое состояние материи так называемую кваркглюонную плазму (КГП), существование которой предсказано современной теорией сильного взаимодействия квантовой хромодинамикой (КХД). Согласно теории Большого взрыва, развитие Вселенной на ранних стадиях эволюции определялось свойствами этой плазмы. Кроме того, материя в таком состоянии может сформироваться внутри компактных звезд, наблюдаемых в настоящее время. Существование особых фаз материи может быть причиной особого поведения некоторых компактных звезд, процесс охлаждения которых не может быть объяснен на основе старых моделей, которые не учитывают существование кваркглюонной плазмы в ядрах этих звезд.

Телескопы, размещенные на околоземной орбите, позволили получить бесценный научный материал по наблюдению компактных звезд. Это дало толчок в астрофизике к развитию моделей звезд, учитывающих возможность существования КГП. Понятно, что в таких обстоятельствах необходимо развивать теоретические методы, позволяющие интерпретировать наблюдения и выявлять процессы, которые позволили бы судить о существовании КГП. Эта большая комплексная проблема разбивается на несколько самостоятельных задач, которые могут быть решены независимо. Одна из них микроскопическое описание свойств адронов в обычных и экстремальных условиях, то есть исследование зависимости масс, времен жизни адронов и т. п. от температуры и плотности.

Для описания внутренних свойств адронов, таких как масса, константы распадов адронов и их взаимодействия друг с другом посредством сильного и электрослабого взаимодействия, требуются непертурбативные подходы. Среди них следует упомянуть метод уравнений ДайсонаШвингера, БетеСалпитера, разнообразные локальные и нелокальные кварковые модели, основанные как на квантовой хромодинамике, так и на феноменологии. В своих исследованиях я использовал различные версии киральной кварковой модели, в которой исключены глюоны, а определяемое ими взаимодействие кварков аппроксимировано сравнительно простым способом, позволяющим решать задачи, не решаемые в КХД. Данная модель, модель типа НамбуЙонаЛазинио, получила развитие и позволила описать свойства скалярных, псевдоскалярных и векторных мезонов, включая их основные состояния, а также первые радиальные возбуждения. Мы предсказали массы скалярных мезонов основных и радиальновозбужденных, а также массы первых радиальных возбуждений псевдоскалярных и векторных мезонов. Кроме того, мы вычислили ширину основных распадов мезонов, идущих за счет сильного взаимодействия. По этой теме я с соавторами опубликовал 24 статьи в реферируемых отечественных и зарубежных изданиях, включая труды конференций.

Недавно, используя кварковую модель типа НамбуЙонаЛазинио, я исследовал поведение формфакторов пионов, h, и h’мезонов в области низких и больших энергий. Результат согласуется с экспериментальными данными группы экспериментаторов CLEO, которые наблюдали реакции рождения пиона и фотона из виртуального фотона с большими пространственноподобными 4импульсами.

В настоящее время наибольший интерес для меня представляют исследования свойств мезонов в горячей и плотной среде. Эти исследования начаты недавно. За прошедшие два года мы исследовали фазовую диаграмму кварковой материи при температурах от 0 до 200 мегаэлектронвольт (МэВ), а также для значений химического потенциала (определяет барионную плотность) от 0 до 400 МэВ. Мы получили оригинальные результаты, поскольку для фиксации параметров в рамках кварковой модели использовали оригинальную процедуру, которую прежде никто не применял. Исследования выявили зависимость фазовой диаграммы, то есть условий и типов фазовых переходов, от параметров модели. В основном результаты согласуются с исследованиями других ученых в мире, подтверждая спонтанное нарушение цветовой симметрии (фундаментальной симметрии сильного взаимодействия) и образование так называемого цветного конденсата. Качественно это явление аналогично известному феномену сверхпроводимости и, по аналогии, названо цветной сверхпроводимостью.

Я продолжаю исследования в этой области, изучая, как модифицируются спектры мезонов в условиях плотной материи, в которой сформировался цветной конденсат. Уже получены предварительные результаты по зависимости конституэнтной массы u(d)кварков, цветной щели, масс скалярного и псевдоскалярного мезонов при нулевой температуре и высокой барионной плотности. Эти результаты можно применить для селекции процессов, которые смогли бы послужить отличительными сигналами существования кварковой материи с необычными свойствами (цветная сверхпроводимость). Подобные эксперименты на строящихся установках LHC в ЦЕРН (ШвейцарияФранция) и SIS200 в GSI (Дармштадт, Германия), на которых будут получены достаточно плотные образования кварковой материи при соударениях ионизированных атомом урана. До сих пор исследования проводились для свинца, серы и золота на установках AGE, SPS (ЦЕРН), а также на установке RHIC (Брукхевен, США).

Одновременно с изучением свойств плотной и горячей кварковой материи мы исследовали столкновения легких мезонов (пионов) в горячем мезонном газе в неравновесных условиях. В таких условиях соударения частиц приводят к появлению большой «ширины» у узких резонансов, таких как пион. В разреженной среде его ширина крайне мала (несколько кэВ) и обусловлена вероятностью слабого распада для заряженных пионов и электромагнитного распада для нейтральных пионов. А в неравновесной среде ширина может достигать 80 МэВ (сравнима с массой покоя пиона 140 МэВ) вблизи фазового перехода адронной материи в кваркглюонную плазму, что имеет существенное влияние на процессы с участием пионов в горячем мезонном газе. Как следствие, имеется заметное отклонение в наблюдаемых спектрах электронпозитронных пар, которые излучаются при столкновениях тяжелых ионов, от предсказаний для узких пионов. Большая ширина позволяет объяснить этот наблюдаемый в эксперименте эффект.

В рамках простой кварковой модели были получены также качественные оценки для температурной зависимости массы и ширины очарованных (то есть содержащих «очарованный» кварк) D и D*мезонов. Изучение параметров этих частиц в горячей среде очень важно для понимания процессов диссоциации мезонов с явным и скрытым «очарованием», имеющих непосредственное отношение к проблеме поиска кваркглюонной плазмы.

Учебная работа № 1344. Адроны, очарованные мезоны и поиски кваркглюонной плазмы