Plasma de cuarci si gluoni

Plasma de cuarci si gluoni

1. Consideratii asupra formarii plasmei de cuarci si gluoni

in ciocniri nucleare relativiste si ultrarelativiste

Ciocnirile centrale nucleu-nucleu la energii inalte si ultrainalte reprezinta singura posibilitate de a investiga in laborator proprietatile plasmei de cuarci si gluoni [16-18]. Cunoasterea acestora va permite sa se obtina mult mai multa informatie asupra momentelor de inceput, imediat dupa "Explozia primordiala" ("Big Bang"), ale expansiunii Univesului. Se considera ca in timpul expansiuunii a avut loc, la circa 1-10 ms dupa "Explozia primordiala", o tranzitie de la plasma de cuarci si gluoni la materia hadronica. Investigatiile de laborator vor permite obtinerea de informatii atat asupra tranzitiei de la plasma de cuarci si gluoni la materia hadronica, cat si asupra procesului invers [31,32,53-55].

Plasma de cuarci si gluoni nu este o stare obisnuita a materiei. Pentru obtinerea ei este necesar ca temperatura sa atinga (1.7¸2.9)x10¹² K (150-250 MeV), iar densitatea de energie sa depaseasca 2 GeV/Fm^-3 [16-18]. În aceste conditii structura obisnuita a materiei nucleare se modifica drastic: protonii si nucleonii se dizolva in constituientii lor pentru a forma aceasta noua faza. Pentru a observa aceasta transformare de faza este necesar sa se studieze anumite proprietati ale spatiului. Faza de plasma de cuarci si gluoni permite propagarea aproape libera a cuarcilor, in timp ce cuarcii sunt confinati, in mod obisnuit, in 'vidul adevarat'. În conditiile extreme de temperatura si densitate produse in ciocniri nucleare relativiste si ultrarelativiste se trece la o faza a vidului care conduce sarcina de culoare. Aceasta 'topitura a vidului' este extrem de interesanta si de bogata in informatii pentru intreaga Fizica a interactiilor tari. O problema delicata este aceea a separarii contributiilor specifice diferitelor procese si fenomene care au loc in interiorul regiunii centrale, fierbinti si dense, in care se produce aceasta 'topitura'.

2. Semnale experimentale ale formarii plasmei de cuarci si gluoni

Odata formata, plasma de cuarci si gluoni 'traieste' un timp scurt, de ordinul a 5-10 Fm/c. În acest interval de timp are loc scaderea temperaturii sub temperatura critica, T_c, datorita expansiunii regiunii centrale, fierbinti si dense, precum si emisiei de particule de la suprafata. În acest mod se ajunge la o alta forma de existenta a materiei, anume: plasma hadronica [12-18,50,51]. Daca scaderea temperaturii este foarte accentuata si rapida in timp, cea a densiitatii sub densitatea critica, r_c, este mult mai lenta. Acest fapt determina interactiii violente intre particule in interiorul regiunii participante, fierbinti si dense ('fireball'-ului), pana la atingerea unor distante intre particule mai mari decat distanta de actiune a fortelor nucleare tari. De aceea, daca 'fireball'-ul ar prezenta o signatura cinematica caracteriistica cat timp se afla in faza de plasma de cuarci si gluoni, atunci exista o probabilitate mare ca aceasta signatura sa fie distrusa de catre interactiile hadronice in starea finala. De aici rezida si marile dificultati in observarea experimentala a plasmei de cuarci si gluoni [12-18].

Datorita supraracirii masive a 'fireball'-ului in timpul expansiunii sale, fara o scadere tot atat de rapida a densitatii, este de asteptat sa se produca o 'explozie' la tranzitia la plasma hadronica [56,57]. Aceasta explozie va determina aparitia unor unde de soc in materia nucleara, unde care pot fi puse in evidenta in spectrele de impuls transversal [57].

Pentru o analiza corecta a signaturilor plasmei de cuarci si gluoni este necesar sa se ia in considerare acele proprietati carre nu sunt afectate de interactiile in starea finala. Doua tipuri de observabile se pot lua in considerare:

particule care nu inteactioneaza tare;

numere cuantice care nu se modifica prin interactii tari.

Plasma de cuarci si gluoni are o serie de proprietati caracteristice care determina urmatoarele aspecte:

(i) numarul gradelor de libertate accesibile particulelor 'colorate' in plasma de cuarci si gluoni este mult mai mare decat cel disponibil particulelor care formeaza plasma hadronica;

(ii) signaturile plasmei de cuarci si gluoni se bazeaza pe abundenta mult crescuta a particulelor de energii relativ mici; majoritatea particulelor au energii cuprinse intre T_c si 2T_c..

Alte cateva aspecte sunt importante. Datorita deconfinarii locale a culorii in plasma de cuarci si gluoni creste numarul gradelor de libertate; de asemenea, energia pe particula este mult mai mica in plasma de cuarci si gluoni datorita cresterii numarului gradelor de libertate si distribuirii energiei disponibile pe mai multe grade de libertate.

De aici pot sa apara alte dificultati majore determinate de posibilitatea acoperirii semnalului de catre flucuatii si fond, mai ales in conditiile in care procesele care conduc la crearea fondului nu sunt toate foarte bine cunoscute.

Luand in considerare toate aceste aspecte se pot considera trei categorii mari de semnale ale fazei de plasma de cuarci si gluoni in materia nucleara fierbinte si densa creata prin ciocniri nucleu-nucleu la energii inalte, si anume:

(A) producerea de perechi de fotoni si leptoni;

(B) producerea de stranietate;

(C) semnale experimentale particulare (scaderea producerii de particule J/Y in raport cu producerea de perechi de leptoni [58-60], aparitia jeturilor [61,62], fenomene de intermitenta [63,64], interferometrie de intensitate si corelatii in sursa de particule [65-67], etc.).

Fiecare tip de semnal are unele caracteristici generale, precum si unele aspecte specifice.

În cazul producerii de fotoni si perechi de leptoni trebuie avute in vedere doua aspecte generale majore:

(A1) sunt particule care interactioneaza numai electromagnetic;

(A2) pot fi produse suficient de abundent in plasma de cuarci si gluoni si de aceea se pot detecta experimental.

În cazul producerii de fotoni selectarea celor care apar datorita dezintegrarilor unor particule create in plasma de cuarci si gluoni - p^o g h g h p^o g - se poate face prin considerarea spectrelor de masa efectiva (analiza de masa invarianta).

În acest tip de analiza apar o serie de dificultati datorate numarului mare de particule care se dezintegreaza tare in fotoni. Pentru ciocniri nucleu-nucleu la 200 A GeV se estimeaza producerea de 50-100 de mezoni p^o intr-un eveniment. Pe de alta parte, fotonii pot fi produsi in intreg volumul 'fireball'-ului, prin procese qq^- gg sau ca radiatie de franare a cuarcilor, iar emisia de mezoni p^o este una de suprafata. De aceea, raportul n_g/n_po se estimeaza a fi subunitar pentru nuclee grele (circa 0.2).

Producerea de perechi de leptoni de energii mari din plasma de cuarci si gluoni conduce la maxime in spectrul de masa invarianta cuprinse intre 300 si 500 MeV. Principala sursa de fond este in acest caz anihilarea p p . Aceasta anihilare se desfasoara cu producerea de mezoni r ('canalul r'); masa invarianta a perechii de leptoni este concentrata , in acest caz, in regiunea 770±100 MeV/c². Ceea ce este important de semnalat aici este faptul ca raportul contributiilor perechilor de leptoni care au cele doua origini este o masura foarte sensibila a temperaturii initiale atinse in faza de plasma. Acest raport poate fi, in anumite situatii, si o masura a masei efective a cuarcilor.

La discutarea producerii de fotoni si perechi de leptoni trebuie avute in vedere trei aspecte importante, anume:

- in estimari sunt luati in considerare, in general, numai cuarcii 'up' si 'down';

- ar trebui avuta in vedere si problema leptonilor grei (taonii) care sunt produsi de cuarcii cu stranietate;

- prin anihilarea cuarcilor cu stranietate se produc, de asemenea, fotoni; se estimeaza ca se produce 1 foton pe ciocnire prin acest proces.

O a doua cale importanta de studiere experimentala a producerii plasmei de cuarci si gluoni este producerea de stranietate.

Timpul de viata al 'fireball'-ului este estimat la 5-10 Fm/c. Într-un astfel de interval de timp interactiile slabe nu au posibilitatea sa devina importante. În aceste conditii, odata produsa, stranietatea nu poate fi distrusa decat prin anihilarea ss^-. Deoarece in plasma de cuarci si gluonii numarul de cuarci cu stranietate este mare prin anihilari ss^- nu se poate distruge toata stranietatea produsa. Ea se va pastra si dupa terminarea fazei de pllasma de cuarci si gluoni. Producerea de stranietate in faza de plasma de cuarci si gluoni trebuie sa fie comparata cu producerea de stranietate in alte faze - plasma hadronica, materie de rezonanta - cresterile observate putand fi un semnal al formarii plasmei de cuarci si gluoni.

La realizarea estimarilor trebuie avute in vedere cateva aspecte interesante, si anume:

- anticuarcii cu stranietate () nu pot fi continuti intr-un barion, spre deosebire de cuarcii cu stranietate (s);

- particulele care contin cuarcii cu stranietate se pot produce in asociere cu mezoni K; de exemplu, ciocnirea p + p p + L + K⁺, care are o energie de prag de circa 1 GeV, in sistemul laboratorului, pentru ciocniri de protoni liberi;

- exista posibilitatea desfasurarii unor procese deosebite, 'extrvagante', cum ar fi crearea de antibarioni cu stranietate; doua exemple sunt semnificative in acest sens: p + p p + p + L L (E_prag = 8 GeV, in SL); p + p p + p + p + L + K^- (E_prag = 9 GeV, in SL).

Trebuie remarcat faptul ca aceste tipuri de ciocniri sunt inhibate si datorita faptului ca sunt necesare trei perechi qq^- intr-o singura ciocnire, iar impulsurile trebuie sa fie similare.

O alta problema importanta este aceea a eliminarii asimetriei de izospin in canalul de intrare. Aceasta necesita luarea in considerare a tuturor cuarcilor usori. De aceea, in discutarea formarii plasmei de cuarci in ciocniri nucleare relativiste, estimarea rapoartelor dintre numarul de cuarci cu stranietate si numarul de cuarci usori, respectiv, dintre numarul de anticuarci cu stranietate si numarul de anticuarci usori, este utila. Exista numeroase cai de estimare [12-18,68].

Dintre celelalte categorii de semnale ale plasmei de cuarci si gluoni - crestera producerii de antinuclee in faza de plasma de cuarci si gluoni, lipsa corelatiilor de sarcina dintre pionii cu impulsuri apropiate, s.a. - in ultima vreme s-a impus analiza producerii de particule cu 'charm' (farmec) in raport cu producerea de perechi de leptoni.

Cel mai important semnal este cel obtinut de colaborarea NA50 de la CERN Geneva pentru ciocniri Pb+Pb la 158 A GeV (circa 3.6 TeV in sistemul centrului de masa [69,70].

Particulele J/Y sunt stari legate ale cuarcilor si anticuarcilor cu 'farmec' si sunt produse abundent in contactul initial dintre nucleele care se ciocnesc. Probabilitatea de producere a particulelor J/Y scade cu disiparea energiei de ciocnire. În sistemul centrului de masa se poate considera ca particula J/Y trebuie sa strabata materia nucleara formata si aflata in miscare. De aceea, se poate considera ca particula J/Y joaca acelasi rol ca radiatia X obisnuita. Experimental, se determina distantele dintre centrele nucleelor care se ciocnesc si locurile prin care aceste particule parasesc regiunea de suprarpunere. Se pot compara astfel ciocnirile in care distanta strabatuta prin materia formata este mai lunga cu cele in care aceasta distanta este mai scurta..

Dezinegrarea particulei J/Y se face prin emisia unei perechi m m , imediat ce paraseste regiunea de suprapunere a nucleelor care se ciocnesc. Acest mod de dezintegrare permite sa se numere cate particule J/Y ies din regiunea participanta. Pentru ciocniri Pb+Pb la 158 A GeV se constata o scadere apreciabila a numarului de particule J/Y care 'supravietuiesc' pana la iesirea din 'fireball', in raport cu ciocnri S+S si S+Pb la aceasi energie. Explicarea fenomenului observat experimental se poate face in termenii interactiilor idividuale particula-particula care rup starea legata sau inhiba formarea sa, deoarece gluonii au un rol important la ruperea particulelor J/Y. Ceea mai interesanta sugestie este aceea ca se produce un fenomen neasteptat care ar putea fi o signatura a palsmei de cuarci si gluonii in ciocniri nucleare ultrarelativiste. Mari sperante sunt legate de intrarea in functiune a sistemelor de accelerare de tip "collider" RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) de la BNL - deja la primele date experimentale - si LHC (Large Hadron Collider) de la CERN, in urmatorii ani. Un vis frumos al tuturor fizicienilor, gasirea in laborator a conditiilor din Univers imediat dupa "Explozia primordiala", este pe cale sa se implineasca!

Bibliografie

[1]. Serban Titeica ‑ Termodinamica ‑ Editura Academiei R.S.R., Bucuresti, 1982

[2]. L.D.Landau, E.M.Lifsit ‑ Fizica statistica ‑ Editura Tehnica, Bucuresti, 1988

[3]. K.A.Brüeckner ‑ Phys.Rev.86(1952)936

[4]. H.A.Bethe ‑ Phys.Rev.103(1956)1353

[5]. M.P.Anastasio, L.S.Celenza, S.W.Pong, C.M.Shakin ‑ Phys.Rep.100(1983)327

[6]. H.Stöcker, W.Greiner ‑ Phys.Rep.137(1986)277

[7]. J.J.Molitoris, D.Hahn, H.Stöcker ‑ Prog.Part.Nucl.Phys.XV(1985)239

[8]. W.Cassing, V.Metag, U.Mosel, K.Niita ‑ Phys.Rep.188(1990)363

[9]. V.Metag ‑ International School on Heavy Ion Physics 'Solving the Nuclear Paradigm', 6‑16.X.1993, Erice, Italy

[10].J.Pochodzalla et al - Phys.Rev.Lett.75(1995)1040-1043

[11].A.B.Migdal, E.E.Saperstein, M.A.Troitsky, D.N.Voskresensky ‑ Phys.Rep. 192(1990)179

[12].S.Nagamyia - Prog.Part.Nucl.Phys.XV(1985)363

[13].C.Besliu, Al.Jipa ‑ Rev.Roum.Phys.33(1988)409

[14].Al.Jipa ‑ Teza de doctorat, Universitatea Bucuresti, Facultatea de Fizica, 1989

[15].C.Besliu, Al.Jipa ‑ Rom.J.Phys.37(1992)1011

[16].L.McLerran ‑ Preprint FERMILAB, Fermilab‑Conf‑84/101T(1984)

[17].B.Müller ‑ Lect.Not.Phys.225(1985)1

[18].G.E.Brown, H.A.Bethe, P.M.Pizzochero ‑ Phys.Lett.B263(1991)337

[19].C.Besliu, N.Ioneci, Al.Jipa, R.Zaharia ‑ EPS International Conference on High Energy Physics, 27.VII‑2.VIII.1995, Brussels, Belgium, EPS 0512

[20].C.Besliu, N.Ioneci, Al.Jipa, R.Zaharia ‑ Romanian Reports in Physics 48(1996)425-431

[21].L.P.Csernai, J.I.Kapusta ‑ Phys.Rep.131(1986)223

[22].E.Feenberg, H.Primakoff ‑ Phys.Rev.70(1946)980

[23].A.B.Migdal ‑ JETF 34(1972)1184

[24].V.Metag ‑ Prog.Part.Nucl.Phys.XXX(1993)75

[25].Al.Jipa ‑ J.Phys.G: Part.Nucl.Phys.22(1996)231

[26].Al.Jipa, R.Ionescu, Nicoleta Ioneci - Rom.Repp.Phys.48(1996)389-397

[27].C.Besliu et al ‑ J.Phys.G: Part.Nucl.Phys.18(1992)807

[28].C.Besliu et al ‑ J.Phys.G: Part.Nucl.Phys.19(1993)1831

[29].K.Werner, J.Aichelin ‑ Phys.Rev.C52(1995)1582

[30].H.Heiselberg, C.J.Pethick, E.Staubo ‑ Phys.Rev.Lett.70(1993)1355

[31].H.Reeves ‑Nucl.Phys.A488(1988)665c

[32].H.Reeves ‑ Phys.Rep.201(1991)335

[33].C.Besliu, Al.Jipa, Amelia Horbuniev - Conferinta Nationala de Fizica, Constanta, 16-18.IX.1998

[34].H.L.Anderson et al - Phys.Rev.85(1952)934

[35].H.I.Friedman, R.W.Kendall - Ann.Rev.Nucl.Sci.22(1972)203

[36].W.Ehehalt, W.Cassing, U.Mosel,G.Wolf - Phys.Rev.C47(1993)???

[37].***** - Nucl.Phys.A386(1982)571

[38].G.E.Brown, J.Stachel, G.M.Welke - Phys.Lett.B253(1991)19

[39].G.F.Bertsch, S.Das Gupta - Phys.Rep.169(1988)189

[40].***** - Preprint GSI Darmstadt, GSI 08-94(1994)

[41].Al.Jipa, R.Zaharia - Conferrinta Nationala de Fizica, Constanta, 1993

[42].Al.Jipa, C.Besliu, R.Zaharia, A.M.David - J.Phys.G: Nucl.Part.Phys.22(1996)221

[43].W.G.McMillan, E.Teller - Phys.Rev.72(1947)1

[44].A.Lang, W.Cassing, U.Mosel,K.Weber - Nucl.Phys.A545(1992)507

[45].Gy.Wolf, W.Cassing, U.Mosel - Nucl.Phys.A545(1992)139c

[46].R.Hagedorn - Preprint CERN, CERN (1971)

[47].A.Z.Mekjian, S.DasGupta - Phys.Rep.72(1981)131

[48].Al.Jipa - Balkan Physics Letters 1(1993)78

[49].Al.Jipa - Preprint Institute of Nuclear Theory, University of Washington, Seattle, DOE/ER/40561-36-INT98(1998)1-29

[50].Gy.Wolf et al - Nucl.Phys.A517(1990)615

[51].Bao-An Li, C.M.Ko, G.Q.Li - Phys.Rev.C50(1994)R2675

[52].R.Stock - Phys.Rep.135(1986)259

[53].G.E.Brown, D.Jackson, H.A.Bethe, P.M.Pizzochero - Nucl.Phys.A560(1993)1035

[54].S.Sarkar, D.K.Srivastava, B.Sinha - Phys.Rev.C51(1995)318

[55].A.K.Mohanty, S.K.Kataria - Phys.Rev.C53(1996)887

[56].M.Gyulassy - Prog.Part.Nucl.Phys.XV(1985)403

[57].H.W.Barz et al - Phys.Lett.B254(1991)332

[58].H.Satz - Nucl.Phys.A488(1988)511c

[59].J.Kapusta, L.McLerran, D.K.Srivastava - Preprint TPI-MINN-92/3-T(1992)

[60].R.Stock - The XXVIII International Conference on High Energy Physics, Warsaw, Poland, 25-31.VII.1996

[61].G.Eilam, M.Sajjad Zahir - Phys.Rev.D26(1982)2991

[62].M.Rammerstorfer, U.Heinz - Phys.Rev.D41(1990)306

[63].M.I.Adamovich et al (EMU01 Coll.) - Phys.Lett.B263(1991)539

[64].A.Bialas, R.C.Hwa - Phys.Lett.B253(1991)436

[65].D.E.Fields et al - Phys.Rev.C52(1995)986

[66].C.Besliu, Maria Iosif, Al.Jipa - Analele Universitatii Bucuresti, Fizica XLIV(1996)

[67].M.Biyajima, N.Suzuki, G.Wilk, Z.Wlodarczyk - Phys.Lett.B(1996)

[68].C.Y.Wong - Introduction to High Energy Heavy-Ion Collisions, World Scientific, Singapore, New Jersey, London, Hong Kong, 1994

[69].R.Stock - Quark Matter´96, Heidelberg, Germany, 20-24.V.1996

[70].R.Stock - The XXVIII International Conference on High Energy Physics, Warrsaw, Poland, 25-31.VII.1996