Физики Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (СГУ) 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 элементарные безмассовые частицы — глюоны. При экстремально высоких температурах 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 тяжелых атомных ядер, разогнанных почти до скорости света. Одна из задач теоретической физики — описать, что происходит сразу после столкновения, когда образовавшаяся система еще не пришла к равновесию.
Саратовские ученые связали в предложенной модели описание частиц и порождающего их поля. В предыдущих исследованиях глюонное поле заменяли упрощенным аналогом, а его параметры подбирали вручную, чтобы получить нужное количество частиц.
За основу исследователи взяли метод непертурбативной кинетической теории, разработанный одним из авторов 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 решения, ученые 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.
Сильное глюонное поле может порождать пары кварков и антикварков — частиц и их античастиц. Кварки обладают особым зарядом, который физики называют цветовым. Их движение создает цветовые токи, изменяющие глюонное поле и влияющие на дальнейшее рождение частиц. Ученые учли и эту обратную связь в уравнениях.
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 упрощенные модели, которые позволяют проводить расчеты 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 тяжелых ионов», — пояснил один из авторов исследования, доцент кафедры медицинской физики СГУ Вадим Дмитриев.
В дальнейшем команда планирует постепенно усложнять модель — перейти от двух компонент глюонного поля ко всем восьми и построить более полное описание происходящих процессов.
