Адроны, очарованные мезоны и поиски кварк-глюонной 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 кварк-глюонную 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 кварк-глюонной 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 Дайсона-Швингера, Бете-Салпитера, 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 Намбу-Йона-Лазинио, 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 радиально-возбужденных, 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 Намбу-Йона-Лазинио, я исследовал поведение форм-факторов 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 пространственно-подобными 4-импульсами.

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 (Швейцария-Франция) и SIS-200 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 кварк-глюонную плазму, что имеет существенное влияние на процессы с участием пионов в горячем мезонном газе. Как следствие, имеется заметное отклонение в наблюдаемых спектрах электрон-позитронных 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 кварк-глюонной плазмы.