QCD 물질

QCD matter

쿼크 물질 또는 QCD 물질(양자 색역학)은 쿼크와 글루온이 포함된 물질의 많은 가상 단계 중 하나를 가리키며, 그 중 두드러진 예는 쿼크-글루온 [1]플라스마이다.2019년, 2020년, 2021년 여러 개의 컨퍼런스가 이 [2][3][4]주제에 집중되었다.

쿼크는 극도로 높은 온도 및/또는 밀도에서 쿼크 물질로 방출되며, 그 중 일부는 매우 극단적인 조건을 요구하기 때문에 특히 평형 조건이 아닌 실험실에서 생성될 수 없기 때문에 여전히 이론적인 것일 뿐이다.이러한 극단적인 조건하에서, 기본 구성 요소가 핵(쿼크의 결합 상태인 핵자로 구성된)과 전자인 물질의 익숙한 구조는 파괴된다.쿼크 물질에서는 쿼크 자체를 기본 자유도로 취급하는 것이 더 적절합니다.

입자물리학의 표준모형에서 강한 힘은 QCD 이론으로 설명된다.상온 또는 밀도에서는 이 힘이 쿼크를 약 10m−15 = 1펨토미터 = 1fm(QCD 에너지 척도 δQCD 200 MeV에 해당) 크기의 복합 입자(하드론)로 제한하며, 그 영향은 먼 거리에서는 눈에 띄지 않는다.

단, 온도가 QCD 에너지 스케일(10kelvin급12 T)에 도달하거나 평균 쿼크간 거리가 1fm 미만(쿼크 화학전위μ400MeV 전후)으로 밀도가 상승하면 하드론이 구성 쿼크에 녹아 강한 상호작용이 물리학의 주요 특징이 된다.이러한 단계를 쿼크 물질 또는 QCD 물질이라고 합니다.

색력의 강도는 쿼크 물질의 특성을 가스나 플라즈마와는 다르게 만들고, 대신 물질의 상태를 액체와 더 연상시킵니다.고밀도에서는 쿼크 물질은 페르미 액체이지만 10K 미만의 고밀도12 온도에서는 색초전도 현상을 보일 것으로 예측된다.

물리학의 미해결 문제:

비격동 체제에서의 QCD: 쿼크 물질.QCD의 방정식은 쿼크와 글루온의 바다가 고온과 밀도로 형성되어야 한다고 예측한다.이 물질의 성질은 무엇입니까?

(물리학의 풀리지 않은 문제가 더 많다)

발생.

자연발생

  • 빅뱅 이론에 따르면, 우주가 불과 수십 마이크로초 밖에 되지 않았던 초기 고온의 우주에서 물질의 상은 [5]쿼크-글루온 플라즈마라고 불리는 쿼크 물질의 뜨거운 상 형태를 취했다.
  • 콤팩트한 별(중성자별).중성자별은 10K보다 훨씬12 차갑지만 중력붕괴로 인해 중심핵에 [6]쿼크 물질이 존재할 수 있다고 추측하는 것이 타당하다.대부분 또는 전체가 쿼크 물질로 이루어진 콤팩트한 별들은 쿼크 별 또는 이상한 별이라고 불린다.
  • QCD 물질은 6.7 x13 10 K의 온도가 발생할 수 있는 감마선 버스트의 붕괴체 내에 존재할 수 있다.

큰 중성자별의 [7]핵에서 쿼크 물질에 대한 증거가 제공되었지만, 현재로서는 이러한 물체에 대해 예상되는 성질을 가진 별은 관측되지 않았다.

  • 괴짜들.이것들은 이론적으로 (아직까지 관찰되지 않은) 거의 동일한 양의 위, 아래 및 이상한 쿼크로 구성된 이상한 물질의 덩어리입니다.기묘한 소립자는 고에너지 입자의 은하속 안에 존재해야 하고 따라서 이론적으로 여기 지구상의 우주선에서 발견될 수 있어야 하지만,[8][9] 기묘한 소립자는 확실히 발견되지 않았다.
  • 우주선이 충돌합니다.우주선은 매우 빠른 원자핵, 특히 철을 포함한 많은 다른 입자로 구성되어 있다.

실험실 실험 결과 상층 대기에서 무거운 귀가스 원자핵과의 불가피한 상호작용이 쿼크-글루온 플라스마 형성을 야기할 수 있었다.

  • 바리온 수가 약 300 이상인 쿼크 물질은 핵 물질보다 더 안정적일 수 있습니다.이러한 형태의 중입자 물질은 [10]안정의 대륙을 형성할 수 있다.

실험실 실험

ALICE 검출기로 기록된 LHC와의 첫 번째 납 이온 충돌 중 하나에서 발생한 입자 파편 궤적.충돌 지점에서 쿼크 물질의 극히 짧은 출현은 궤도의 통계로부터 추론된다.

쿼크-글루온 플라즈마는 매우 극단적인 온도 및/또는 압력 조건에서만 발생할 수 있지만, CERN의 대형 강입자 충돌기 LHC와 브룩헤이븐 국립 연구소의 상대론적 중이온 충돌기 RHIC와 같은 입자 충돌기에서 활발하게 연구되고 있습니다.

이러한 충돌에서 혈장은 자연적으로 분해되기 전까지 매우 짧은 시간 동안만 발생합니다.플라즈마의 물리적 특성은 대형 입자 검출기와의 충돌 영역에서 발생하는 파편을 검출함으로써 연구된다.

매우 높은 에너지에서 중이온 충돌은 20 마이크로초 전의 우주와 비슷한 에너지 밀도의 작은 단명 영역을 만들어 낼 수 있습니다.이는 납 핵과 같은 무거운 핵을 고속으로 충돌시킴으로써 이루어졌으며,[13] 2000년 2월 CERN의 SPS 가속기에서 처음으로 쿼크-글루온 플라스마가 형성되었다는 주장이 나왔다.

이 작업은 미국의 RHIC와 같은 보다 강력한 가속기에서, 그리고 2010년 현재 스위스와 프랑스의 국경 지역에 위치한 CERN의 유럽 LHC에서 지속되고 있습니다.쿼크-글루온 플라스마도 RHIC에서 [14]생성되었다는 좋은 증거가 있다.

열역학

쿼크 물질의 열역학을 이해하기 위한 맥락은 입자 물리학의 표준 모형으로, 전자와 중성미자와 같은 렙톤뿐만 아니라 6가지 다른 맛의 쿼크를 포함합니다.이것들은 강한 상호작용, 전자기학, 그리고 쿼크의 한 맛을 다른 맛으로 바꿀 수 있는 약한 상호작용을 통해 상호작용합니다.전하를 운반하는 입자 간에 전자기 상호작용이 일어나고, 색전하를 운반하는 입자 간에 강한 상호작용이 발생합니다.

쿼크 물질의 정확한 열역학적 처리는 물리적 맥락에 따라 달라집니다.장기간에 걸쳐 존재하는 대량('열역학 한계')의 경우 표준 모델에서 보존되는 전하가 쿼크 수(바리온 수)와 전하, 8색 전하 및 렙톤 수뿐이라는 사실을 고려해야 한다.이들 각각은 관련된 화학적 잠재성을 가질 수 있습니다.그러나 많은 양의 물질은 전기적이고 색중립적이어야 하며, 이는 전기 및 색전하 화학 전위를 결정합니다.그러면 쿼크 화학 퍼텐셜, 렙톤 화학 퍼텐셜 및 온도에 의해 매개변수가 지정되는 3차원 위상 공간이 남습니다.

콤팩트한 별에서는 쿼크 물질이 입방 킬로미터에 걸쳐 존재하며 수백만 년 동안 존재하기 때문에 열역학적 한계가 적절합니다.그러나 중성미자는 탈출하여 렙톤수를 위반하므로, 콤팩트 별에서 쿼크 물질의 위상 공간은 온도(T)와 쿼크 수 화학 퍼텐셜 μ의 2차원만 가집니다.기묘한 것은 큰 부피의 열역학적 한계 안에 있지 않기 때문에 이국적인 핵과 같습니다: 그것은 전하를 운반할 수 있습니다.

중이온 충돌은 큰 부피의 열역학적 한계도 아니고 긴 시간도 아닙니다.열역학을 적용할 수 있을 만큼 충분히 평형을 이루는지에 대한 질문은 제쳐두고, 약한 상호작용이 일어날 수 있는 충분한 시간이 확실히 없기 때문에, 풍미가 보존되고, 6개의 쿼크 맛 모두에 대해 독립적인 화학적 잠재력이 있습니다.초기 조건(충돌의 충격 파라미터, 충돌핵의 업 및 다운 쿼크의 수, 다른 맛의 쿼크가 없다는 사실)에 따라 화학적 잠재력이 결정된다(이 섹션의 참조:).[15][16]

위상도

수직축의 온도와 수평축의 쿼크 화학 퍼텐셜을 갖는 QCD 물질의 위상도의 추정 형식(모두 메가 전자 볼트).[15]

쿼크 물질의 위상도는 실험적으로나 이론적으로 잘 알려져 있지 않다.일반적으로 추측되는 위상도의 형태는 오른쪽 [15]그림에 나타나 있습니다.이는 쿼크 화학 퍼텐셜 μ와 온도 T가 유일하게 관련된 열역학 퍼텐셜인 콤팩트 별의 물질에 적용할 수 있다.

또한 초기 우주와 중이온 충돌에서 μ와 T의 전형적인 값을 보여줍니다.화학적 잠재성의 개념을 잘 모르는 독자들은 μ를 시스템의 쿼크와 반쿼크 사이의 불균형의 척도로 생각하는 것이 도움이 된다.μ가 높을수록 반쿼크보다 쿼크를 선호하는 더 강한 편향을 의미합니다.낮은 온도에서는 반쿼크가 존재하지 않으며, μ가 높을수록 쿼크의 밀도가 높아집니다.

우리가 알고 있는 일반 원자물질은 실제로 혼합상이며 진공과 핵물질 사이의 저온상 경계에 존재하는 진공으로 둘러싸인 핵물질(물질)의 물방울은 0에 가까운 μ=310 MeV이다.온도를 낮게 유지한 채 쿼크 밀도를 높이면(즉, μ 증가), 점점 더 압축된 핵물질의 단계로 이동합니다.이 경로를 따라가는 것은 중성자별에 점점 더 깊이 파고드는 것에 해당합니다.

결국 미지의 임계값 μ에서 쿼크 물질로 이행한다.초고밀도에서는 컬러 슈퍼컨덕터 쿼크 물질의 컬러 플레이버 록(CFL) 단계를 찾을 수 있습니다.중간 밀도에서는 성질이 [15][16]현재 알려지지 않은 다른 위상(그림에서 "비 CFL 쿼크 액체"로 표시됨)을 예상한다.다른 형태의 초전도 쿼크 물질일 수도 있고 다른 것일 수도 있습니다.

이제 위상 다이어그램의 왼쪽 하단 모서리에서 시작하여 μ = T = 0인 진공 상태를 상상해 보십시오. 반쿼크보다 쿼크를 선호하지 않고 시스템을 가열하면 T축을 따라 수직으로 위쪽으로 이동하는 것과 같습니다.처음에는 쿼크가 여전히 한정되어 있고 우리는 강입자(대부분 파이온)의 가스를 만든다.그런 다음 T = 150 MeV 주변에는 쿼크 글루온 플라즈마와의 교차가 있습니다. 열 변동으로 파이온이 분해되고 쿼크, 반쿼크 및 글루온 가스뿐만 아니라 광자, 전자, 양전자와 같은 가벼운 입자가 발견됩니다.이 경로를 따르는 것은 빅뱅 직후의 우주의 상태로의 먼 과거로 여행하는 것에 해당합니다.

핵/쿼크 물질 천이에서 솟아오른 후 T축을 향해 구부러지는 선은 끝이 별 모양으로 표시되어 있으며, 제한된 상과 정의되지 않은 상 사이의 추측된 경계이다.또한 최근까지 키랄 대칭이 깨지는 상(저온 및 밀도)과 깨지지 않는 상(고온 및 밀도) 사이의 경계로 여겨졌다.CFL 위상은 키랄 대칭 파괴를 나타내며, 다른 쿼크 물질 위상도 키랄 대칭을 파괴할 수 있기 때문에 이것이 정말로 키랄 전이선인지는 확실하지 않습니다.라인은 이 그림에서 별로 표시된 "키랄 임계점"에서 끝납니다. 이 점은 임계 오팔렌스와 유사한 타격 물리적 현상이 예상되는 특수한 온도 및 밀도입니다.[15][16][17] (이 섹션의 참조).

위상도에 대한 완전한 설명을 위해서는 어떤 기초 이론(예: 양자 색역학(QCD))에서 조밀하고 강하게 상호작용하는 하드론 물질과 강하게 상호작용하는 쿼크 물질을 완전히 이해해야 한다. 그러나 그러한 설명은 QCD의 비파동적 이해를 필요로 하기 때문이다.아직 완전히 이해되려면 멀었지만, 어떤 이론적인 진보도 여전히 매우 어렵다.

이론적 과제: 계산 기법

쿼크 물질의 위상 구조는 쿼크 물질의 특성을 예측하는 계산을 수행하기 어렵기 때문에 대부분 추측으로 남아 있습니다.그 이유는 쿼크 사이의 지배적인 상호작용을 설명하는 이론인 QCD가 가장 큰 물리적 관심의 밀도와 온도에서 강하게 결합되어 있기 때문에 그것으로부터 어떤 예측도 얻기가 매우 어렵기 때문이다.다음은 몇 가지 표준 접근법에 대한 간단한 설명입니다.

격자 게이지 이론

현재 사용할 수 있는 유일한 제1원칙 계산 도구는 격자의 QCD, 즉 무차별 컴퓨터 계산입니다.기술적 장애물은 페르미온 표시 문제로 알려진 때문에, 이 방법은 오직 낮은 밀도와 높은 온도(μ<T)에서, 그리고 quark–gluon 플라즈마에, 교차 T에=발생할 것이라고 예측했다 사용할 수 있는 150명의 백만 일렉트론 볼트[18] 하지만, 될 수 없는 사용되는 조사를 하다 흥미로운 color-superconducting 위상 구조에서 높은 densit.y과저온[19]

약결합 이론

QCD는 점근적으로 자유롭기 때문에 비현실적으로 높은 밀도로 약하게 결합되어 도식적인 방법을 사용할 [16]수 있다.이러한 방법을 통해 CFL 단계가 매우 높은 밀도로 발생함을 알 수 있습니다.그러나 고온에서는 도식 방법이 여전히 완전히 제어되지 않는다.

모델

발생할 수 있는 단계를 대략적으로 파악하려면 QCD와 동일한 특성을 가지지만 조작하기 쉬운 모델을 사용할 수 있습니다.많은 물리학자들은 글루온이 없는 남부-조나-라시니오 모델을 사용하며, 강한 상호작용을 4층 상호작용으로 대체한다.평균장 방법은 위상을 분석하는 데 일반적으로 사용된다.또 다른 접근방식은 봉지 모델이다.봉지 모델에서는 비봉지 쿼크 물질에 불이익을 주는 첨가 에너지 밀도에 의해 구속 효과가 시뮬레이션된다.

효과적인 이론

많은 물리학자들은 단순히 현미경적 접근 방식을 포기하고 예상되는 단계(아마도 NJL 모델 결과에 기반함)에 대한 정보를 바탕으로 추측합니다.각 단계에 대해, 그들은 적은 수의 매개변수로 저에너지 들뜸에 대한 효과적인 이론을 적고, 그것을 실험 [17]관찰에 의해 그러한 매개변수를 고정시킬 수 있는 예측을 하기 위해 사용한다.

기타 접근법

주요 기사: AdS/QCD

QCD를 밝히기 위해 가끔 사용되는 다른 방법들이 있지만, 다양한 이유로 쿼크 물질을 연구하는 데 유용한 결과를 아직 얻지 못했습니다.

1/N 확장

색수 N(실제로는 3개)을 큰 수로 취급하여 1/N의 거듭제곱으로 확장합니다.고밀도에서는 고차 보정이 크고, 확장이 잘못된 결과를 [15]낳는 것으로 나타났습니다.

초대칭성

이 이론에 스칼라 쿼크와 페르미온 글루온(글루이노)을 더하면 다루기 쉽지만, 쿼크 물질의 열역학은 결정적으로 페르미온만이 쿼크 수를 운반할 수 있다는 사실과 일반적으로 자유도에 달려 있다.

실험상의 과제

실험적으로 쿼크 물질의 위상도는 상대론적 중이온 충돌을 실험 도구로 사용하여 충분한 온도와 밀도에 맞춰 조정하는 방법을 배우는 것이 다소 어려웠기 때문에 지도를 만드는 것이 어렵다.그러나 이러한 충돌은 궁극적으로 하드론 물질에서 QGP로의 교차에 대한 정보를 제공합니다.콤팩트 별의 관측은 고밀도 저온 영역에 대한 정보도 제약할 수 있다고 제안되어 왔다.이 별들의 냉각, 스핀다운 및 세차운동 모델은 별 내부의 관련 특성에 대한 정보를 제공합니다.관찰이 더 정확해짐에 따라, 물리학자들은 더 [15]많은 것을 배우기를 희망한다.

미래 연구의 자연적 주제 중 하나는 키랄 임계점의 정확한 위치를 찾는 것이다.일부 야심찬 격자 QCD 계산은 이에 대한 증거를 발견했을 수 있으며, 향후 계산은 상황을 명확하게 할 것이다.중이온 충돌은 실험적으로 위치를 측정할 수 있지만, 이를 위해서는 μ와 [20]T의 범위에 걸친 스캔이 필요합니다.

증거

2020년에는 질량이 200만⊙ 이하인 중성자별의 핵이 쿼크 [7][21]물질로 구성되었을 가능성이 높다는 증거가 제시되었다.이들의 결과는 중력파 관측소에서 측정한 중성자별 합성의 중성자별 조석 변형성에 기초했으며, 별의 중심부의 압력과 에너지 밀도와 관련된 상태 방정식의 계산과 함께 별의 반지름을 추정했다.그 증거는 매우 시사적이었지만 쿼크 물질의 존재를 결정적으로 증명하지는 못했다.

「 」를 참조해 주세요.

출처 및 추가 정보

  • S. Aronson 및 Ludlam, T.: "쿼크 글루온 플라즈마 사냥", 미국 에너지부(2005)
  • Letessier, Jean: 강입자와 쿼크-글루온 플라즈마, 입자물리학, 핵물리학 및 우주론에 관한 케임브리지의 논문 (Vol. 18), 케임브리지 대학 출판부 (2002)
  • S. Hands (2001). "The phase diagram of QCD". Contemporary Physics. 42 (4): 209–225. arXiv:physics/0105022. Bibcode:2001ConPh..42..209H. doi:10.1080/00107510110063843. S2CID 16835076.
  • K. Rajagopal (2001). "Free the quarks" (PDF). Beam Line. 32 (2): 9–15.

레퍼런스

  1. ^ Letessier, Jean; Rafelski, Johann (2002). Hadrons and Quark–Gluon Plasma (1 ed.). Cambridge University Press. doi:10.1017/cbo9780511534997. ISBN 978-0-521-38536-7.
  2. ^ "Quark Matter 2021: The 29th International Conference on Ultrarelativistic Nucleus-Nucleus Collisions". Indico. Retrieved 2020-06-26.
  3. ^ "CPOD2020 - International Conference on Critical Point and Onset of Deconfinement". Indico. Retrieved 2020-06-26.
  4. ^ "Strangeness in Quark Matter 2019". Indico. Retrieved 2020-06-26.
  5. ^ 예를 들어 "강입자와 쿼크-글루온 플라즈마"를 참조하십시오.
  6. ^ 샤피로와 테콜스키: 블랙홀, 백색왜성, 중성자별: 소형 물체의 물리학, Wiley 2008
  7. ^ a b Annala, Eemeli; Gorda, Tyler; Kurkela, Aleksi; Nättilä, Joonas; Vuorinen, Aleksi (2020-06-01). "Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars". Nature Physics. 16 (9): 907–910. arXiv:1903.09121. doi:10.1038/s41567-020-0914-9. ISSN 1745-2481.
  8. ^ Biswas, Sayan; et al. (2016). "A production scenario of Galactic strangelets and an estimation of their possible flux in solar neighborhood". Proceedings: A production scenario of Galactic strangelets and an estimation of their possible flux in solar neighborhood. Vol. ICRC2015. inSpire. p. 504. doi:10.22323/1.236.0504. Retrieved 11 October 2016.
  9. ^ Madsen, Jes (18 November 2004). "Strangelet propagation and cosmic ray flux". Phys. Rev. D. 71 (1): 014026. arXiv:astro-ph/0411538. Bibcode:2005PhRvD..71a4026M. doi:10.1103/PhysRevD.71.014026. S2CID 119485839.
  10. ^ Holdom, Bob; Ren, Jing; Zhang, Chen (31 May 2018). "Quark Matter May Not Be Strange". Physical Review Letters. 120 (22): 222001. arXiv:1707.06610. Bibcode:2018PhRvL.120v2001H. doi:10.1103/PhysRevLett.120.222001. PMID 29906186. S2CID 49216916.
  11. ^ "ALICE". CERN. Retrieved 16 December 2015.
  12. ^ RHIC의 연구 예시로 "쿼크 글루안 플라즈마 찾기"를 참조하십시오.
  13. ^ Heinz, Ulrich; Jacob, Maurice (2000). "Evidence for a New State of Matter: An Assessment of the Results from the CERN Lead Beam Programme". arXiv:nucl-th/0002042.
  14. ^ Heinz, Ulrich; Jacob, Maurice (2005). "Quark Matter 2005 – Theoretical Summary". arXiv:nucl-th/0508062.
  15. ^ a b c d e f g Alford, Mark G.; Schmitt, Andreas; Rajagopal, Krishna; Schäfer, Thomas (2008). "Color superconductivity in dense quark matter". Reviews of Modern Physics. 80 (4): 1455–1515. arXiv:0709.4635. Bibcode:2008RvMP...80.1455A. doi:10.1103/RevModPhys.80.1455. S2CID 14117263.
  16. ^ a b c d Rischke, D (2004). "The quark–gluon plasma in equilibrium". Progress in Particle and Nuclear Physics. 52 (1): 197–296. arXiv:nucl-th/0305030. Bibcode:2004PrPNP..52..197R. CiteSeerX 10.1.1.265.4175. doi:10.1016/j.ppnp.2003.09.002. S2CID 119081533.
  17. ^ a b T. Schäfer (2004). "Quark matter". In A. B. Santra (ed.). Mesons and Quarks. 14th National Nuclear Physics Summer School. Alpha Science International. arXiv:hep-ph/0304281. Bibcode:2003hep.ph....4281S. ISBN 978-81-7319-589-1.
  18. ^ P. Petreczky (2012). "Lattice QCD at non-zero temperature". J. Phys. G. 39 (9): 093002. arXiv:1203.5320. Bibcode:2012JPhG...39i3002P. doi:10.1088/0954-3899/39/9/093002. S2CID 119193093.
  19. ^ Christian Schmidt (2006). "Lattice QCD at Finite Density". PoS LAT2006. 2006 (21): 021. arXiv:hep-lat/0610116. Bibcode:2006slft.confE..21S.
  20. ^ Rajagopal, K (1999). "Mapping the QCD phase diagram". Nuclear Physics A. 661 (1–4): 150–161. arXiv:hep-ph/9908360. Bibcode:1999NuPhA.661..150R. doi:10.1016/S0375-9474(99)85017-9. S2CID 15893165.
  21. ^ "A new type of matter discovered inside neutron stars". ScienceDaily. Retrieved 2020-06-01.

외부 링크