Состав и свойства ядерной материи

 

Вода, так же как и другие виды вещества, окружающего нас, может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии в зависимости от температуры и давления. Точно так же ядерное вещество, состоящее из заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, образующих ядро атома - может принимать различные состояния. Действительно, исследователи GSI сегодня могут предоставить убедительные доказательства существования обнаруженных после долгих поисков фазовых переходов от "жидкой" к "газообразной" ядерной материи. Ожидается, что при более высоких температурах и давлениях основные строительные блоки ядер должны ломаться и перейти в новую форму материи - кварк-глюонную плазму.

Почти вся масса атома сконцентрирована в его ядре. Атомные ядра обладают плотностью, несравнимой с химическими элементами или с химическими соединениями. Плотность ядер более чем на 14 порядков выше, чем плотность воды. Но, с другой стороны, силы между индивидуальными компонентами ядер - нуклонами - быстро убывают с расстоянием, примерно таким же образом как и силы между молекулами жидкости. На очень коротких расстояниях действуют силы притяжения, а на больших расстояниях нуклоны отталквиваются. И, действительно, во многих случаях атомные ядра ведут себя подобно каплям жидкости.

Если мы будем продолжать эту линию исследования, то столкнемся с интересными вопросами. Может ли ядерная материя - подобно воде - изменить свое состояние и стать, например, "газообразной".  Физики полагают, что ответ на этот вопрос может дать решение более общего вопроса - уравнение состояния ядерной материи, которое связывает термодинамические изменения давления, плотности и температуры.

Информация о виде этого уравнения может быть получена при столкновении атомных ядер при релятивистских скоростях - то есть при скоростях, близких к скорости света. Таких скоростей может достигнуть тяжелоионный синхротрон в Дармштадте - SIS. Здесь плотность и температура ядерной материи может очень широко изменяться в зависимости от контролируемых факторов. С одной стороны, кинетическая энергия сталкивающихся атомных ядер переходит в энергию их внутреннего возбуждения - они нагреваются. С другой стороны, столкновение атомных ядер лоб в лоб в малом объеме зоны столкновения сжимает ядерную материю в чрезвычайно короткий период времени. Внимательное и точное изучение происходящих при этом процессов позволяет проникнуть в тайны свойств этой горячей и сжатой ядерной материи.

 

Ядерная материя кипит как вода

Поведение нагретых ядер изучалось на магнитном спектрометре, который назывался ALADIN (это искаженная аббревиатура от  фразы "A LArge DIpole magNet" - большой дипольный магнит).

Созданная более 20 лет назад теория предсказывает, что ядерная материя подвергается фазовому переходу "жидкость-газ" при достижении определенной критической температуры. Однако получить убедительные экспериментальные доказательства это фазового перехода удалось исследовательской группе GSI лишь недавно. Это было сделано в ходе серии экспериментов, в которых тяжелые бомбардирующие ядра, такие как ядра атомов золота, направлялись на легкое ядро-мишень - например, на ядро углерода. Легкие ядра, из-за их малой массы, не в состоянии сжать тяжелое бомбардующее ядро - они "отскакивают" в момент столкновения . Однако тяжелые ядра здесь так сильно нагреваются в результате столкновения, что распадаются на некоторое количество фрагментов. Путем точной идентификации и измерения параметров этих фрагментов можно определить энергию возбуждения и ядерную температуру в момент распада.

Зафиксировав эти значения на диаграмме "температура-энергия", получим фазовую кривую, похожую на типичный график кипения воды - на нем образуется плато без повышения температуры.

Такое поведение может быть интерпретировано следующим образом: при достижении плато ядро начинает кипеть. Добавление дополнительной энергии не будет вести к повышению температуры. Вместо этого связи между нуклонами рвутся, что аналогично трансформации жидкой материи в газообразную с более низкой плотностью. Только после такой трансформации добавление энергии в систему заново повышает ее температуру.  Последующее повышение температуры наблюдалось на установке ALADIN и стало чистым свидетельством фазового перехода.

Но что же происходит с атомным ядром, когда оно не просто нагрето, а еще и сжато? Эта ситуация может быть достигнутва при столкновениях лоб в лоб при релятивистских энергиях тяжелого бомбардирующего ядра с тяжелой мишенью. При энергиях, достигаемых в циклотроне SIS, в зоне взаимного проникновения при столкновении ядра сжимаются в 2-3 раза больше нормальной плотности за короткий период времени, равный 10^-22 секунды.

Несмотря на такой короткий период времени, можно получить информацию о фазе высокой плотности - в первую очередь с использованием двух методов анализа. За фазой сжатия, в которой ядро сжато как пружина, следует фаза взрывного расширения, в которой ядро распадается на некоторое количество кусков, называемых ядерными фрагментами. Масса и скорость распределения полученных ядерных фрагментв может быть использованы дял реконструкции столкновения ядра с ядром и определения величины первоначального сжатия.

Изучение этих процессов происходит с помощью особого детектора, который называется "4p" или "FOPI" (сокращение от Four Pi), в котором заряженные частицы, импущенные во время фазы расширения, регистрируются в соответствии с их размером, направлением и скоростью.

Математический символ "4p" - это полный телесный угол, и это означает, что каждая испущенная частица будет зафиксирована и измерена. Взрывное расширение, наблюдаемое после столкновений двух ядер золота показано как пример сбора данных на этом детекторе.

При анализе этих данных обнаружилось, что более половины энергии, с которой происходит столкновение ядер, переходит в энергию коллективного расщирения, следующую за сжатием. Следовательно, толко эта разница может перейти в возбуждение внутренних степеней свободы нуклонов, или в беспорядочное движение нуклонов, т.е. в увеличение температуры.

При переходе к теоретическим вычислениям этой модели нужно, чтобы мы добились очень большой точности при проникнвении в сущность столкновений ядер и в соответствующие свойства ядерной материи. Пример такого вычисления - и в то же время хорошая иллюстрация высокоэнергичных ядерных столкновений - показан на следующем рисунке. Сценарий, наблюдаемый при таких столкновениях, имеет место при взрывах сверхновых звезд. При этих взрывах внутренности звезды в результате гравитационного коллапса сжимаются во много раз сильнее нормальной ядерной плотности, в результате чего происходит выброс внешней оболочки звезды в космос, оставляя внутри нейтронную звезду.

 

***

 

Другой путь изучения сжатой ядерной материи при столкновениях атомных ядер - это наблюдение испускаемого ими излучения. Отдельные нуклоны в зоне столкновения возбуждаются до более высокоэнергетического состояния - так называемых нуклонных резонансов.

Другими словами, нуклоны имеют внутреннюю структуру. Они состоят из кварков и глюонов и могут быть возбуждены до более высокого энергетического уровня путем взаимодействия с их окружением, например путем столкновений с другми нуклонами в горячей сжатой зоне реакции. Нуклонные резонансы распадаются за очень короткое время - как раз за время самого столкновения - испуская мезоны и иные частицы, например, гамма-кванты и электрон-позитронные мары. Он могут быть измерены и таким образом идентифицированы как "посланцы" из зоны столкновения, которая на жаргоне исследователей называется "огненный мяч" (fireball).

При энергиях, достигаемых ускорителем SIS, это в основном так называемые дельта-резонансы - самый низкий уровень возбуждения нуклонов. Они затем распадаются с испусканием p-мезонов. Измерения с помощью детектора FOPI, спектрометра TAPS (Two Arm Proton Spectrometr - двухплечевой протонный спектрометр) и магнитного спектрометра KaoS (каонный, или К-мезонный спектрометр) показали, что не менее одной трети нуклонов в зоне сжатия на короткое время переходят на уровень дельта-резонансов. Другими словами, значительная часть энергии тсалкивающихся ядер используется для возбуждения внутренних степеней свободы нуклонов.

Важное значение имеет возбуждение более высоких уровней нуклонных резонансов, т. е резонансов с испусканием мезонов тяжелее, чем p-мезон (например, таких как h-мезон или К-мезон). Эксперименты на каонном спектрометре обнаружили, что производство К-мезоновимеет место преимущественно при столкновениях в зоне сжатия между дельта-резонансом и нуклоном или даже при столкновении двух дельта-резонансов. Фактически значительная концентрация дельта-резонансов позволяет даже образовываться антипротонам во время столкновений дельта-резонансов при высоких энергиях.

Другой фундаментальный вопрос, связанный с теорией сильных взаимодействий, это вопрос об эффективных массах нуклонов и мезонов в горячей сжатой ядерной материи. Для некоторых мезонов, таких как, например, r-мезон, может ожидаться уменьшение эффективной массы при сжатии и нагревании зоны нукорнных столкновений. Возможно экспериментальное наблюдение этого явления, наблюдаемое как распад r-мезона на электрон-позитронную пару. Новая, исключительно интеллектуальная детекторная система, называемая HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer) соружается в настоящее время в Дармштадте для ответа на эти вопросы. Механизм изменения эффектвиной массы прямо связан с фундаментальным вопросом происхождения массы частиц. Физики с нетерпением ожидают первых экспериментов на установке HADIS, начало которых намечено на 1998 год.

 

***

 

Пока ядерные столкновения происходят при энергиях, доступных на циклотроне SIS, определяющую роль играют свойства нуклонов. Однако при более высоких энергиях главную роль начинают играть свойства кварков. В таких реакциях ожидается переход от адронной материи к новой фазе материи - кварк-глюонной плазме. При достаточной плотности энергии нуклоны разрушаются на как бы свободные кварки и глюоны. Изучение их природы представляет большой космологический интерес, поскольку предполагается, что в таком состоянии находилась материя примерно через 10^-5 секунд просле Большого Взрыва. Физики полагают, что этот первоначальный "суп", состоящий из кварк-глюонной материи, трансформировался в нуклоны и мезоны.

Для исследования этого процесса, так важного для понимания эволюции ранней вселенной, GSI в кооперации с другими европейскими институтами и с ЦЕРНом, сконструироваи свинцовый инжектор для ЦЕРНовского синхротрона SPS. В ходе долговременной исследовательской программы, начатой в ноябре 1994 года, планируется множество исследований реакций между ионами свинца, разогнанными до скоростей, превышающих 99% скорости света.

Теория предсказывает различные сценарии этого фазового перехода - например, возникновение чрезмерного количества странных кварков и испускание высокоэнергетического электромагнитного излучения. Все эти сигналы и их значения стану более отчетливыми при увеличении объема высокоэнергетичных реакций. Предполагают, что занчительные преимущества в этом смысле могут быть достигнуты при столкновениях пучков свинца с предвариетльно разогнанными пучками ионов серы.

Рисунок показывает, что различные детектирующие приборы, настроенные на детектирование того или иного сигнала, пригодны для "ловли" большого количества производимых частиц. Эта иллюстрация представляет собой компьютерную реконструкцию путей частиц при простых событиях столкновений, фиксируемых в большом объеме трековой камеры.

Эти эксперименты будущего станут настоящим, когда сотрудники ЦЕРНа запустят в строй большой адронный коллайдер (Large Hadron Collder - LHC). Эти планы отводят GSI большую роль в конструировании тяжелоионного детектора для столкновений ионов свинца на этом супер-ускорителе объединенной Европы. Это позволит проводить эксперименты при энергиях, в 300 раз превышающих уровень сегодняшнего дня.

Суммируя, делаем вывод, что ядерная материя может быть представлена в огромном многообразии форм, каждая из которых соответствует определенным уровням энергии и сжатия. Даже при слабо-релятивистских энергиях ядерная материя подвергается фазовому переходу из нормального состояния  в нуклонный газ. При более выскоих энергиях, достигаемых на ускорителе SIS в GSI, ядерная материя может сжиматься более чем в 3 раза по сравнению с обычной плотностью. В то же самое время появляются нуклонные резонансы - возбуждения нуклонной субструктуры. Но даже эта нуклонная субструктура разрушается при еще более высоких энергиях, при которых мы можем вызвать к жизни плазму, состоящую из кварков и глюонов. Одно мы можем сказать совершенно точно - весь "набор" различных состояний, в которых может находиться вещество атомных ядер - это настоящая рукотворная страна чудес.