Введение к работе
Актуальность темы. Свойства сильно-взаимодействующей материи важны для нашего понимания природы. По современным представлениям такая материя состоит главным образом из партонов: кварков, антикварков и глюонов. Эти партоны являются основными составляющими нуклонов, пионов и других адронов. Фундаментальная теория, которая описывает сильные взаимодействия — квантовая хромодинамика. Взаимодействие кварков характеризуется «ассимптотической свободой» и конфайнментом. При относительно небольших плотностях энергии, если попытаться разнести цветовые заряды, то взаимодействие станет настолько сильным, что более выгодно будет родить новую пару кварк-антикварк, чем разделить кварки друг от друга. Однако, если достаточно сильно сжать или нагреть адронную материю, ожидается фазовый переход в новое состояние вещества, в котором партоны становятся квазисвободными. Считается, что обратный переход (ад-ронизация) из кварк-глюонной плазмы (КГП) в адронный газ (АГ) должен был произойти на ранней стадии эволюции Вселенной, спустя несколько микросекунд после Большого Взрыва.
Для экспериментального изучения фазовой диаграммы сильно-взаимодействующего вещества в настоящее время используются столкновения ядер высоких энергий, при которых образуется сжатое и нагретое ядерное вещество. Ожидается, что такое вещество должно перейти в состояние КГП. Она существует в течение сравнительно небольшого периода времени, порядка нескольких фм/с (~ 10~23 сек.), а затем распадается на адроны с рождением новых частиц, которые измеряются в детекторах.
Теоретическому описанию взаимодействий ядер высокой энергии посвящено уже довольно большое число работ. К сожалению, в обозримом будущем первопринципные расчёты таких сложных непертурбативных процессов, как столкновения релятивистских ядер, на основе квантовой хромодинами-ки вряд ли возможны. Поэтому существующие подходы для изучения этих процессов имеют в значительной степени феноменологический, модельный характер. Надежда состоит в том, чтобы моделируя динамику тяжёлоион-ных столкновений попытаться получить информацию о горячей и плотной стадии эволюции системы на основе сравнения с наблюдаемыми распределениями конечных частиц.
В данной диссертации столкновения релятивистских ядер изучается в рамках гидродинамической модели. Ценность такой модели состоит прежде всего в том, что она позволяет исследовать чувствительность наблюдаемых величин к уравнению состояния (УС) сильно-взаимодействующего вещества и в частности к его возможному кварк-адронному фазовому переходу.
Целью данной диссертации является разработка реалистических моделей гидродинамического типа для моделирования столкновений релятивистских ядер и применение этих моделей для исследования свойств сильно-взаимодействующего вещества при высоких плотностях энергии и барионного заряда.
Личное участие автора в получении научных результатов состоит в разработке, дальнейшем усовершенствовании и применении реалистических моделей гидродинамического типа к описанию столкновений ядер высокой энергии. Автором выполнен основной объём необходимых для исследования компьютерных моделирований, включая освоение и адаптацию комплекса программ трехмерной релятивистской гидродинамики и визуализацию полученных данных.
Научная новизна диссертации определяется тем, что в ней:
Построена новая версия (3+1)-мерной гидродинамической модели, специально предназначенная для описания столкновений ядер в области энергий ускорителей NICA и FAIR.
Гидродинамическое моделирование таких столкновений проведено с использованием реалистичного УС, включающего эффекты конечного размера адронов и кварк-адронный фазовый переход.
Показано, что коллективные потоки и спектры адронов наиболее чувствительны к наличию кварк-адронного фазового перехода в области энергий столкновения порядка 10 ГэВ/нукон.
Сделан вывод о том, что кварк-адронный фазовый переход приводит к немонотонной энергетической зависимости эллиптического потока частиц в столкновениях релятивистских ядер, с максимумом в районеЕ\&\> = 10 ГэВ/нуклон.
Продемонстрировано, что параметры максимального сжатия в центральных столкновениях ядер хорошо согласуются с расчётами в модели одномерных ударных волн.
На основе сравнения с мультижидкостным расчётом показано, что эффекты взаимной прозрачности в центральных столкновениях тяжёлых ядер относительно невелики вплоть до энергий порядка 30 ГэВ/нуклон.
В рамках (1+1)-мерной гидродинамической модели впервые (на момент выхода работ [1,2]) рассчитаны быстротные спектры пионов, каонов и антипротонов в столкновениях Au+Au при энергии л/snn = 200 ГэВ. Исследована чувствительность спектров частиц к критической температуре кварк-адронного фазового перехода.
Показано, что для удовлетворительного описания спектров адронов при энергиях RHIC следует использовать начальные условия, которые являются промежуточными между условиями Ландау и Бьёркена.
Практическая ценность диссертации:
Разработанные автором гидродинамические модели позволяют проводить реалистические расчёты наблюдаемых характеристик в столкновениях релятивистских ядер в широком диапазоне энергий столкновения.
Полученные оценки максимальных значений плотностей энергии и ба-рионного заряда сильно-взаимодействующего вещества могут быть использованы для планирования будущих экспериментов по ядро-ядерным столкновениям.
Сделан вывод о том, что область энергий NICA и FAIR является оптимальной с точки зрения поиска проявлений кварк-адронного фазового перехода.
Проведён анализ возможных наблюдаемых следствий упомянутого фазового перехода, что представляет интерес для планирования экспериментов на ускорителях NICA, FAIR, RHIC, LHC.
На защиту выносятся следующие основные положения и новые результаты:
1. Разработана трёхмерная гидродинамическая модель для описания столкновений ядер при энергиях 10-40 ГэВ/нуклон. Эта модель использована для анализа существующих экспериментальных данных и получения предсказаний для будущих ускорителей FAIR и NICA.
Детально исследована пространственно-временная эволюция ядерного вещества в процессе столкновения ядер и её чувствительность к кварк-адронному фазовому переходу.
Проведено гидродинамическое моделирование столкновений ядер при энергиях у/snn ^ 100 ГэВ и проанализирована чувствительность быст-ротных распределений частиц к уравнению состояния, начальным условиям и температуре замораживания. Исследована роль распадов резо-нансов в формировании спектров пионов, каонов и антипротонов. На основе сравнения с наблюдаемыми быстротными распределениями ад-ронов получена оценка плотности энергии начального файрбола в диапазоне 5-10 ГэВ/фм3.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на семинарах НИЦ «Курчатовский институт», ИЯИ РАН, ИТЭФ, университета Франкфурта на Майне, на международном совещании «Критическая точка и наступление деконфайнмента» (Аптон, США, 2009 г.), на международных конференциях «Физика на ускорителе NICA» (Дубна, Россия, 2009 г.), «Горячая и плотная ядерная материя» (Дубна, Россия, 2010 г.).
Публикации.
Вошедшие в диссертацию результаты опубликованы в работах [1-3].
Объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит 102 страниц текста с 53 рисунками и 3 таблицами и библиографический список литературы из 157 наименований. Полный объем диссертации —118 страниц.
