PLASMA DE QUARCI SI GLUONI

Se considera ca in timpul expansiunii a avut loc, la circa 1-10 ms dupa "Big-Bang", o tranzitie de la plasma de quarci si gluoni la materia hadronica. Investigatiile de laborator permit    obtinerea de informatii atat asupra tranzitiei de la plasma de quarci si gluoni la materia hadronica, cat si asupra procesului invers .

Materia la densitati de energie mica este compusa din electroni, protoni si neutroni. Daca incalzim sistemul, putem produce excitari ce pot include particule usoare ce interactioneaza tare, precum pionul. Inauntru protonului, neutronilor , si al altor particule ce interactioneaza tare sunt quarcii si gluonii. Daca se creste energia suficient de mult , nucleonii tiind sa se suprapuna si densitatea creste atat de mult incat constituentii lor sunt liberi sa se miste inlauntrul sistemului fara a fi obligati sa ramana confinati in hadroni. La aceasta limita apare deconfinarea, iar sistemul se numeste plasma de quarci si gluoni.

Cum densitatea de energie tinde sa fie foarte mare, interactiile dintre quarci si gluoni devin slabe. Aceasta este consecinta libertatii asimptotice a interactiei tari: la distante mici interactiile tari devin slabe.

Diferite stadii de evolutie dupa Big-Bang sunt prezentate in figura urmatoare.

In primele momente de dupa Big Bang, cand temperaturile erau de ordinul GeV , gravitatia cuantica joaca un rol important, si desi s-a studiat foarte mult in aceasta directie, rezultatele sunt inca putine. La o temperatura ceva mai mica, se poate sa fii avut loc marea unificare a celor 3 forte, mai putin a gravitatiei. Este posibil ca numarul barionic al universului sa fie generat la aceast nivel de temperatura. La temperaturi si mai joase, de ordinul GeV , are loc spargerea simetriei electroslabe. (In general, spargerea spontana a simetriei are loc cand un sistem, a carui functie Lagrange ramane invarianta la actiunea unui grup de simetrie, in momentul trecerii sale in starea de vid, starea cu energia cea mai joasa , nu mai are Lagrangeanul invariant. La acest moment, sistemul pare sa nu mai aiba un comportamant simetric).

Este posibil, ca la acest moment, sa se fii produs asimetria barionica a universului. La temperaturi de ordinul GeV , quarcii si gluonii devin confinati in atomi. Acesta este limita de temperaturi ce se studiaza la RHIC. La MeV are loc formarea elementelor usoare. Aceste temperaturi corespund unui interval de energii studiat, si este domeniul fizicii nucleare "clasice". La energii (temperaturi) de ordinul unui electron volt , corespunzatoare energiilor de legatura a electronilor in atomi, universul se transforma dintr-un gaz ionizat intr-un gaz atomic la presiune joasa si diverse structuri incep sa se formeze.

Plasma de quarci 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]. In 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 quarci si gluoni permite propagarea aproape libera a quarcilor, in timp ce quarcii sunt confinati, in mod obisnuit, in 'vidul adevarat'.

In 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'.

Fig.3 Diagrama de faza pentru materia nucleara

Exista mai multe cai pentru stabilirea semnalelor specifice formarii sau dezintegrarii plasmei de quarci si gluoni.

Odata formata, plasma de quarci si gluoni 'traieste' un timp scurt, de ordinul a 5-10 Fm/c. In 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. In acest mod se ajunge la o alta forma de existenta a materiei, anume: plasma hadronica. 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 caracteristica cat timp se afla in faza de plasma de quarci 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 .

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' in tranzitia la plasma hadronica. Aceasta explozie va determina aparitia unor unde de soc in materia nucleara, unde care pot fi puse in evidenta in spectrele de impuls transversal.

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

a)     particule care nu inteactioneaza tare;

b)    numere cuantice care nu se modifica prin interactii tari.

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

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

b)    signaturile plasmei de quarci 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 quarci si gluoni creste numarul gradelor de libertate; de asemenea, energia pe particula este mult mai mica in plasma de quarci 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 fluctuatii 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 quarci 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, aparitia jeturilor, fenomene de intermitenta , interferometrie de intensitate si corelatii in sursa de particule, etc.)

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

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

a)     sunt particule care interactioneaza numai electromagnetic;

b)    pot fi produse suficient de abundent in plasma de quarci si gluoni si de aceea se pot detecta experimental.

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

In 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 quarcilor, 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 quarci 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 770100 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 quarcilor.

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 quarcii 'up' si 'down';

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

- prin anihilarea quarcilor 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 quarci si gluoni este producerea de stranietate

Timpul de viata al 'fireball'-ului este estimat la 5-10 Fm/c. Intr-un astfel de interval de timp interactiile slabe nu au posibilitatea sa devina importante. In aceste conditii, odata produsa, stranietatea nu poate fi distrusa decat prin anihilarea ss^-. Deoarece in plasma de quarci si gluoni numarul de quarci cu stranietate este mare prin anihilari ss^- , nu se poate distruge toata stranietatea produsa. Ea se va pastra si dupa terminarea fazei de plasma de quarci si gluoni. Producerea de stranietate in faza de plasma de quarci 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 quarci si gluoni.

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

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

- particulele care contin quarcii 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, 'extravagante', 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 quarcilor usori. De aceea, in discutarea formarii plasmei de quarci in ciocniri nucleare relativiste, estimarea rapoartelor dintre numarul de quarci cu stranietate si numarul de quarci usori, respectiv, dintre numarul de antiquarci cu stranietate si numarul de antiquarci usori, este utila. Exista numeroase cai de estimare.

Dintre celelalte categorii de semnale ale plasmei de quarci si gluoni - cresterea producerii de antinuclee in faza de plasma de quarci 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).

Particulele J/Y sunt stari legate ale quarcilor si antiquarcilor 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. In 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 suprapunere. Se pot compara astfel ciocnirile in care distanta strabatuta prin materia formata este mai lunga cu cele in care aceasta distanta este mai scurta..

Dezintegrarea 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 ciocniri S+S si S+Pb la aceasi energie. Explicarea fenomenului observat experimental se poate face in termenii interactiilor individuale particula-particula care rup starea legata sau inhiba formarea sa, deoarece gluonii au un rol important la ruperea particulelor J/Y. Cea mai interesanta sugestie este aceea ca se produce un fenomen neasteptat care ar putea fi o signatura a plasmei de quarci si gluonii in ciocniri nucleare ultrarelativiste.

O cale relative noua, numita conexii cu plasmele "clasice", a fost introdusa in studiul plasmei de quarci si gluoni formata la ciocnirile intre nuclee la energii foarte mari.

In cadrul experimentelor recente , plasma de quarci si gluoni a fost evidentiata ca avand un caracter colectiv, la echilibru termodinamic local sau global. Acest comportament colectiv este bine pus in evident datorita curgerii hidrodinamice a materiei nucleare.

Prin urmare , analogiile cu comportamentul plasmelor "clasice" ,in special cu plasmele "puternic" cuplate, pot ajuta la descrierea acestei stari a materiei de plasma de quarci si gluoni, in faza lichida sau gazoasa.

Atentia noastra se va focaliza catre marimile fizice care sa stabileasca legaturi intre cele doua tipuri de plasme.