ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 3-4, с. 339-363
= ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
КЛАССИЧЕСКИЕ ГЛЮОННЫЕ ПОЛЯ И КОЛЛЕКТИВНАЯ ДИНАМИКА СИСТЕМ ЦВЕТОВЫХ ЗАРЯДОВ
©2015г. В. Воронюк1),2), В. В. Головизнин2), Г. М. Зиновьев2), В. Кассинг3), С. В. Молодцов1),4), А. М. Снигирев5), В. Д. Тонеев1)*
Поступила в редакцию 13.08.2013 г.; после доработки 15.07.2014 г.
При изучении цветовых полей, возникающих в столкновениях релятивистских тяжелых ионов, обнаружено, что из-за наличия в неабелевом случае дополнительного члена, обусловленного изменением цветового заряда, в хромоэлектрическом и хромомагнитном полях возникает существенный вклад "цветового свечения" таких зарядов. Обсуждается возможность появления цветового "эхо" в случае рассеяния составных цветовых частиц типа диполя. Приводятся аргументы в пользу важности таких эффектов при моделировании начального момента ультрарелятивистских столкновений тяжелых ионов, где исходное партонное состояние определяется высокой (неравновесной) партонной плотностью и сильными локальными флуктуациями цвета.
DOI: 10.7868/80044002715010213
1. ВВЕДЕНИЕ
Настоящая работа и обсуждаемые в ней проблемы в значительной степени мотивированы недавними экспериментальными исследованиями ультрарелятивистских столкновений тяжелых ионов на коллайдерах RHIC и LHC. При ядерных столкновениях, близких к центральным, реализуются колоссальные плотности энергии, при которых квантовая хромодинамика (КХД) — теория сильных взаимодействий — предсказывает фазовый переход из нормальной адронной материи в деконфайнированное состояние почти несвязанных кварков и глюонов, называемое кварк-глюонной плазмой (КГП). К настоящему времени получен большой объем экспериментальных данных о свойствах образующегося сильно нагретого и сжатого вещества, что позволяет извлечь информацию об уравнении состояния такой материи. Однако свойства этой новой партонной материи поняты еще далеко не до конца.
В нецентральных столкновениях открытием явилось обнаружение на RHIC большого
1)Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия.
2)Институт теоретической физики им. Н.Н. Боголюбова НАН Украины, Киев.
3)Институттеоретической физики, Университет Гиссен, Германия.
4)Институт теоретической и экспериментальной физики, НИЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия.
5)Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, НИИЯФ МГУ, Россия.
E-mail: toneev@theor.jinr.ru
эллиптического потока v2 рожденных частиц, свидетельствующего о коллективном характере взаимодействия при столь высоких релятивистских энергиях. Как показал анализ, образующаяся анизотропная возбужденная материя ведет себя скорее как цветовая идеальная жидкость, а не газ [1]. За прошедший более чем десятилетний период различными группами было выполнено огромное количество экспериментальных измерений эллиптических потоков, анизотропных в поперечной плоскости при энергиях от SPS до LHC, измерены более высокие гармоники vn(n > 2), обнаружены скейлинговые свойства потоковых гармоник, изучена их зависимость от центральности взаимодействия, выбранного интервала быстрот, типа регистрируемых адронов и даже методов анализа потоков. Исследование азимутальной асимметрии оказалось близко связанным с изучением жестких и полужестких процессов, приводящих к подавлению в среде струй, рождающихся в партонной фазе [2].
Существенным фактором при этом явилось понимание того, что движущийся с высокой скоростью большой электрический заряд Z сталкивающихся ядер может генерировать интенсивные электрические и магнитные поля на нетривиальной шкале (которая определяется не только большой энергией в системе центра масс и малостью константы связи), характерной для сильных взаимодействий, как показано в [3]. Наличие сильного электромагнитного поля в сочетании с киральной аномалией среды будет приводить к разделению наблюдаемых зарядов относительно плоскости реакции, что может служить сигналом кирального
магнитного эффекта (КМЭ), свидетельствующего о возможном нарушении четности в сильных взаимодействиях [4]. В последние годы [5] высокая экспериментальная активность изучения КМЭ разумно балансируется тщательным анализом соответствующих данных RHIC и LHC по зарядовой зависимости азимутальной анизотропии коллективных поперечных потоков и корреляций по отношению к плоскости реакции. В частности, измерения соответствующих корреляций, выполненные на LHC Коллаборацией ALICE [6], казалось бы, согласуются с ожиданиями возможного проявления КМЭ, однако эти результаты находятся в качественном согласии также и с предположением о наличии локального сохранения заряда в комбинации со значительным эллиптическим потоком [7].
Еще одним побуждающим моментом для нашего рассмотрения является стремление прояснить (насколько это возможно) другой до сих пор открытый принципиальный вопрос, критический для построения картины (механизма) релятивистских столкновений тяжелых ионов. Мы имеем в виду вопрос о начальных условиях таких столкновений и, как результат, о природе среды, порождаемой ими [8]. Измерения, которые планирует Коллабо-рация ALICE на ближайшие годы, обещают быть особенно информативными в ответах на эти вопросы и, возможно, существенно усилят стандартное приближение к физике механизма насыщения [9], который трактует глюонные поля и соответствующие сечения рассеяния классически (не зависящими от быстроты), что как раз и необходимо для построения адекватного транспортного кода для процессов релятивистских столкновений ядер. Возможность такого подхода обусловлена высокой плотностью глюонов в области насыщения и малым сечением их взаимодействия [9].
Казалось бы, можно верить, что проблема определения надлежащих неабелевых полевых конфигураций легко решается в процессе усреднения по их цветовым источникам и в последующей работе в рамках линейного BFKL-приближения [10] на языке пертурбативной КХД (включающего даже квантовые поправки), а также в квазиклассическом пределе [11] или с нелинейными эволюционными уравнениями [12] и [13, 14] для CGC (Color Glass Condensate)-концепции, впервые введенной в [15]. Однако опыт теоретиков, заинтересованных в решении конкретных задач анализа данных, учит, что на сегодня этот путь вряд ли является самым эффективным. Существующее на теоретическом рынке элегантное и достаточно прозрачное приближение на языке функционального интеграла, позволившее провести важные S-матричные вычисления, прослеживающие внутриядерную эволюцию неабелевых цветовых и цветосинглетных
диполей [16], не может рассматриваться как альтернативное. При малых плотностях партонов в сталкивающихся ядрах соответствующие амплитуды являются малыми, и необходимые ограничения из условия унитарности могут быть оправданно опущены. Для жестких процессов в ядрах эти амплитуды становятся пропорциональными толщине ядра, и для достаточно тяжелых ядер унитариза-ция делает эти амплитуды сильно нелинейными функционалами свободных нуклонных амплитуд. В случае же пертурбативных вычислений в CGC-сценарии ограничение унитарности приводит к существованию отмеченной выше новой размерной шкалы, так называемой шкалы насыщения. В подходе [16] соотношение унитарности устанавливает важную связь между свободной нуклонной и ядерной амплитудами, что, в свою очередь, ведет к определению плотности глюонов в ядре в виде нелинейного функционала глюонной плотности свободного нуклона. Однако это еще не решает проблему определения глюонных полей.
Таким образом, складывается довольно парадоксальная ситуация. Если генерируемые на начальной стадии ядро-ядерных соударений глю-онные поля оказываются малыми, то достаточно будет ограничиться малой поправкой по ним. Если же, напротив, они велики, то их действие необходимо учитывать при описании транспорта энергии системы (а также ее флуктуаций). Подробнее мы разбирем ниже соответствующие вопросы включения цветового взаимодействия на примере некоторых элементарных цветовых конфигураций. Дополнительный член (чисто неабелевого происхождения) в напряженности глюонного поля, обусловленный изменением цветового заряда, генерирует своеобразную волну цветового поля — сияние цветового заряда. (Как следствие, переход к переменным светового конуса и партонные функции распределения требуют доопределения. Однако рассмотрение этих вопросов выходит далеко за рамки рассматриваемой нами задачи и оказывается излишним, поскольку нас интересует только оценка напряженности хромополей.) Кроме того, интересно также отметить, что анализ гармоник потока частиц, который чувствителен к ранней стадии реакции, проводился для двух начальных условий: CGC и глауберовского. Оба варианта модели, которые активно эксплуатируются [17, 18], дали в основном достаточно близкие результаты (предпочтение той или другой модели колеблется от работы к работе). Первые результаты LHC о рождении частиц в Pb + Pb-столкновениях находятся в хорошем согласии с продвинутыми CGC-вариантами, но они также вполне согласуются и с монте-карловским моделированием, которое явным образом не включает цветовых степеней свободы. Чтобы более определенно дискриминировать
эти подходы, в будущем необходим всесторонний анализ детальных дифференциальных характеристик (ср. [17, 19]).
Подобное состояние проблемы заставляет задаться вполне практическим вопросом о том, в какой степени имеющиеся на сегодня транспортные коды приспособлены для описания динамики как глюонных полей, скажем, в сценарии CGC, так и ансамбля частиц. Чтобы получить хотя бы исходную ориентацию, нам представляется достаточно информативным пройти сначала по пути упрощенного (квазиклассического) описания кварков, рассматривая их по аналогии с электродинамикой в виде точечных объектов с координатой и массой, несущих классический цветовой заряд. В качестве подготовительного этапа в настоящей работе мы рассматриваем конфигурации двух цветовых зарядов, цветового заряда и цветового диполя, а также двух цветовых диполей, которые движутся вдоль прямой линии навстречу друг другу. Мы ограничиваем наше рассмотрение неабелевыми полями для цветовой группы SU(2). Понятно, что изучаемые нами цвето
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.