ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 7-8, с. 652-654
= ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ПЛОТНАЯ ХОЛОДНАЯ МАТЕРИЯ
© 2015 г. А. В. Ставинский*
Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва, Россия Поступила в редакцию 09.12.2014 г.
Рассмотрены возможности экспериментального исследования в лабораторных условиях материи при плотности, характерной и выше плотности нейтронных звезд. Для этого предложено в столкновениях релятивистских ионов использовать редкий кинематический триггер. Обсуждаются возможные свойства такой материи, предлагается программа ее исследования и схема необходимой для этого экспериментальной установки.
DOI: 10.7868/80044002715030186
ФИЗИЧЕСКАЯ МОТИВАЦИЯ
Как в физике частиц, так и в физике релятивистских ионов долгое время доминировала тенденция изучения явлений при максимально возможной на ускорителях энергии. С ростом масштаба экспериментальных установок и, соответственно, их стоимости все более актуальным становится поиск фундаментальных задач в уже пройденных энергетических диапазонах. Методической основой для возврата к уже изученным много лет назад энергетическим диапазонам является то, что с тех пор технические возможности детекторов в физике частиц и ионов кардинально изменились. С физической точки зрения очевидно, что существуют фундаментальные задачи, в которых размерные параметры имеют масштаб не более ГэВ, например до сих пор не понятый процесс адрониза-ции. Открытие сильновзаимодействующей кварк-глюонной плазмы дало новый масштаб энергий ~200 МэВ в физике тяжелых ионов. Это открытие стимулировало теоретическое изучение свойств ядерной материи при различных температурах и плотностях, что привело к существенному усложнению вида фазовой диаграммы, особенно в области низких температур и больших барионных плотностей. В природе такое сочетание физических параметров характерно для нейтронных звезд. Однако достижимость этой области в лабораторных условиях долгое время ставилась под сомнение, так как при столкновении тяжелых ионов рост плотности коррелирован с ростом температуры через механизм многократных взаимодействий. В данном сообщении обсуждается альтернативный подход, в котором можно достигнуть плотностей, в десятки раз превосходящих стандартную ядерную плотность. "Платой" за проникновение в совершенно
E-mail: stavinsk@itep.ru
неисследованную область сверхвысоких плотностей являются сравнительно малые объемы получаемой сверхплотной материи и редкость отбираемых триггером событий. Однако ни то, ни другое, как показывают предварительные оценки, не является непреодолимым препятствием для исследования сверхплотной материи предлагаемым методом.
КИНЕМАТИЧЕСКИЙ ТРИГГЕР
По существующим представлениям, в обычной ядерной материи есть локальные многонуклонные флуктуации (флуктоны) [1]. Рассмотрим кинематику процесса А1 + А2 ^ а + X, когда частица а (пусть это будет мезон) регистрируется в центральной области быстрот у с поперечным импульсом, близким к предельно допустимому законами сохранения энергии-импульса для взаимодействия А1 с А2. Барионы системы X, участвующие в реакции, вместе с другими частицами, присутствие которых в конечном состоянии диктуется сохранением различных квантовых чисел [2], при приближении импульса частицы а к абсолютной кинематической границе "стягиваются" в импульсном пространстве в систему с минимальной внутренней энергией, и реакция становится квазибинарной. Система X при таком триггере имеет сравнительно большой поперечный импульс, что поможет кинематически отделить ее от фона. Конечно, для тяжелых ядер или при больших энергиях вероятность такого процесса стремится к нулю, но для ядер гелия и энергии сталкивающихся ядер масштаба у/5лГ/у ~ 2— 3 ГэВ сечения вполне измеримы. Для ядер тяжелее гелия достижение абсолютного кинематического предела, по-видимому, нереально. Однако и в этом случае можно ожидать квазибинарной кинематики процесса, только не для взаимодействия ядер, а для
ПЛОТНАЯ ХОЛОДНАЯ МАТЕРИЯ
653
взаимодействия флуктонов: + — а + X. Дело в том, что триггер не просто отбирает флуктон-флуктонное взаимодействие, но и конечное квазидвухчастичное состояние с холодной мультиба-рионной каплей, что, главным образом, и дает малость сечения такого триггера. Эффект может быть назван кинематическим охлаждением. Физическая причина для кинематического охлаждения состоит в быстром (экспоненциальном) уменьшении вероятности кумулятивных процессов с ростом порядка кумулятивности [3] (Ш — ехр {-Тп/Т*}, где Тп — кинетическая энергия нуклона в капле, а Т* — параметр наклона спектра —60 МэВ). Абсолютный минимум возможной по кинематике массы флуктона соответствует нулевой внутренней энергии капли и, следовательно, нулевому фазовому объему реакции, который для нерелятивистской системы вторичных частиц, как известно, выглядит следующим образом:
йБ = йАР1... йАрп5(р2г - ш1)5а ^рг - Р^ —
^ Т(3п-5)/2
п
Максимум произведения йБ х Шдостигается при кинетической энергии нуклонов масштаба Т — (3п - 5)Т*/2п — 3Т*/2 — 100 МэВ, что соответствует средним относительным импульсам нуклонов в капле р — 0.45 ГэВ/с. Этим и определяется оптимальность начальной энергии 2—3 ГэВ/нуклон: при меньшей энергии "капля" кинематически мало разделена с продуктами обычных нуклон-нуклонных взаимодействий, а при большей — фазовый объем реакции взаимодействия флуктонов с флуктонами растет и доля процессов с образованием холодной капли в конечном состоянии быстро падает.
Система X образует холодную "каплю", размер которой экспериментально измерен с точностью порядка 20—30% [4] и, с этой точностью, не противоречит моделям, в которых размер флукто-на порядка размера нуклона. Даже консервативная оценка размеров дает в результате плотности, сравнимые или даже большие, чем плотности нейтронных звезд.
Вероятность флуктон-флуктонного взаимодействия может быть оценена, например, на основании данных Коллаборации СЬЛБ [5]. Она довольно большая, но это не должно вводить в заблуждение, так как важно не только обнаружить флуктон-флуктонное взаимодействие, но и отобрать конечное состояние с холодной барионной каплей. Наиболее прямые оценки могут быть сделаны на основании данных Коллаборации ФЛИНТ [6]. Они показывают, что для детектора, аксептанс которого близок к максимально востребованному задачей,
реально провести исследования с числом нуклонов в капле 7—8.
ФИЗИЧЕСКАЯ ПРОГРАММА
Что и как предлагается изучать с предложенным триггером?
Во-первых, надо экспериментально проверить гипотезу об образовании холодной и плотной барионной капли в отобранных событиях. Поскольку барионная система в системе центра масс флуктон-флуктонного взаимодействия компенсирует импульс триггера, его поперечный импульс делится на число барионов в капле, а средний продольный импульс равен нулю. Поэтому в лабораторной системе барионная система должна быть сосредоточена в противоположном триггеру азимутальном направлении, а полярный угол ее вылета существенно меньше, чем у триггера (расчет дает в обсуждаемом диапазоне энергий полярные углы 40°—50° для триггера и 15°—30° для барион-ной системы). Таким образом, эксперименальная проверка гипотезы об образовании холодной и плотной барионной капли сводится к измерению корреляционной функции нуклонов и триггера, которая должна иметь максимум в кинематической области образования барионной системы. Ширина этого максимума в импульсном пространстве связана с температурой барионной системы. Для определения ее плотности необходимо измерить корреляции между барионами капли как функцию их относительного импульса (барионная фемто-скопия).
Если факт образования холодной сверхплотной материи установлен, предлагается программа исследования ее свойств. Эта программа не может быть полностью изложена в настоящей работе, поэтому коснемся лишь некоторых ее аспектов. В более полном изложении с ней можно ознакомиться на сайте [7]. Поскольку капля холодная, плотная, а барионы — это фермионы, описанный сценарий должен быть каким-то образом приведен в соответствие с принципом Паули, в том числе и тогда, когда нуклонов в капле больше четырех. Выход, возможный в нейтронных звездах — увеличение импульса нуклонов в капле или рождение дополнительных странных кварков — в данном случае не годится, так как масса капли ограничена кинематикой процесса. Это значит, что "лишние" нуклоны в капле должны трансформироваться в какие-то другие состояния без существенного увеличения (эффективной) массы капли. В частности, если существуют дибарионы или пентакварки с малыми распадными импульсами, их образование было бы приемлемым выходом.
Квантовыми числами "капли" можно "управлять", выбирая в качестве триггерной соответствующую частицу а. Например если частица а —
654
СТАВИНСКИЙ
отрицательно заряженный ^-мезон и существует сравнительно легкий пентакварк 0+ (что, в частности, выполняется для обсуждаемых кандидатов в пентакварки т© — тN — тк ~ 0.10 ГэВ), то такой пентакварк был бы "желанным гостем" в барион-ной системе X и мог бы быть обнаружен в каналах распада рКз или пК+.
Сравнительно большой поперечный импульс системы X и малая температура упрощают ее выделение на фоне немногочисленных спектаторов, и поэтому максимальная оценка комбинаторики — коэффициент масштаба 3 (а не сотни, как при столкновении тяжелых ионов). Ядерной среды, разрушающей резонанс, при столкновении Не + + Не практически нет (спектаторов мало, в пределе нет вообще, и относительные импульсы резонанс— спектатор параметрически велики). Эксперименты в такой постановке задачи автору не известны.
Для обсуждавшейся в [8] кандидатуры в диба-рионы (' с массой 2.07 ГэВ разность масс та' — — 2тN ~ 0.19 ГэВ несколько больше, но при этом из группы тождественных частиц вычитаются сразу два нуклона. Триггер для такой экзотики можно задавать пионом или прямым фотоном.
Другим очевидным следствием ограничений, накладываемых принципом Паули, является изосим-метризация капли. Поэтому сечение образования изосимметричной капли будет больше, чем неизо-симметричной, а ее размеры, измеряемые методом фемтоскопии, меньше. Из этого следует важность идентификации не только заря
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.