Введение к работе
Актуальность темы. Теория силыювзаимодействующей материн получила в последние годы мощный импульс для своего развития, связанный с проводимыми (SPS ЦЕРН) и планируемыми (RHIC, LHC) экспериментами по ультрарелятивистскнм столкновениям тяжелых ионов. Главная цель этих экспериментов состоит в получении и исследовании силыювзаимодействующей материи с плотностью энергии столь высокой, что взаимодействие между составляющими её частицами должно определяться квантовой хромодинамикой. Тем самым предпринимается попытка воссоздания в лабораторных условиях материи, которая, по-видимому, существовала в первые микросекунды эволюции Вселенной. Важнейшей особенностью ядерпых столкновений при высоких начальных эпергиях является возможность генерации высоковозбужденной и сверхплотной материи в объёмах, которые по отношению к характерным адронным масштабам являются квазнмакроскопнческими. Согласно пионерским идеям Ферми, Померанчука и Ландау это обеспечивает экспериментальный фундамент для построения термодинамики сильных взаимодействий. В частности, в ультрарелятипнстских соударениях тяжелых ионов будут экспериментально проверены основные предсказания статистической КХД: кварковый деконфайнмент и восстановление кн-ралыюй симметрии для кварк-глюонных систем, обладающих достаточно высокой температурой и (или) плотностью барионного заряда.
Поскольку образование кваркової! материи в ядерных соударениях ожидается в условиях, далеких от глобально равновесного (с точки зрения термодинамики) состояния, то экспериментальное исследование такой материи ставит ряд актуальных проблем, для решения которых естественной основой является кинетический подход. В частности, кинетическая теория кварковой материи должна дать ответ на принципиальный вопрос о самой возможности достижения равновесного состояния ранней партонной материей в специфических условиях ядерных соударений. Сочетание кипетических и гидродинамических подходов оказалось, кроме того, весьма плодотворным при построении пространственно-временной картины эволюции кварковой материн и процессов её адронпзации, включая кварк-адронные фазовые переходы, как в ядерных соударениях, так и на ранних этапах эволюции.Вселенной.
Помимо "прикладных" аспектов исследование кинетики кпарк-глюоп-ной материи имеет самостоятельное теоретическое значение. Особое ме-
сто принадлежит здесь кинетике коллективных возбуждений, связанных с наличием цвета. Далыюдействующий характер цветового взаимодействия дает чрезвычайно богатый спектр коллективных возбуждений, а пеабелевость этого взаимодействия обусловливает своеобразные кинетические эффекты в кварк-глюонной материи, отсутствующие в обычной кулоповской плазме. Несомненно, что изучение кинетики кварк-глюонной материи должно привести к более глубокому пониманию природы цветового взаимодействия.
Формирование высоковозбужденной сильповзаимодействующей материи приводит к множественному рождению частиц в ядерных столкновениях. Теоретическое исследование процессов множественного рождения актуально прежде всего для решения проблемы детектирования декон-файнмировашюй кварковой материи. Особый интерес представляет в этой связи изучение рождения частиц на ранней стадии эволюции материи, когда её плотность энергии достаточно велика для осуществления кварк-адронных фазовых переходов и появления кварк-глюонной плазмы.
Основной целью работы является:
-
Разработка кинетической теории формирования и эволюции кварк-глюонной материи в ядерных соударепиях при высоких энергиях.
-
Исследование кинетики цвета в сильнонеравновесных кварк-глюон-ных системах и анализ роли жестких струй в развитии динамических неустойчивостей в кварк-глюонной плазме.
-
Развитие кинетических и гидродинамических моделей эволюции сильповзаимодействующей материи, включающих адронизацию кварковой материи и кварк-адропный фазовый переход.
-
Поиск оригинальных сигналов формирования кварковой материи и реализации кварк-адропного фазового перехода на основе теоретического анализа процессов рождения частиц в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов.
Научная новизна работы.
Впервые сформулирована кинетическая модель формирования и эволюции кварк-глюонной материи, включающая обоснованные в рамках
КХД механизмы генерации вторичных партонов в ультрарелятнвнстских столкповепиях ядер. На этой основе впервые показана решающая роль предравновесной партопой материи в рождении умеренно жестких дилептонов и фотопов при достаточно высоких начальных энергиях сталкивающихся ядер.
Впервые рассмотрена проблема развития динамических неустойчи-востей, обусловленных цветовыми степенями свободы при прохождении жестких партопных струй сквозь кварк-глюонную плазму. Впервые предсказано развитие сильной поперечной неустойчивости в горячей КГП при одновременном рождении жестких струй в ядерных соударениях.
На основе оригинальной процедуры выделения главных логарифмов в асимптотике фейнмановских КХД диаграмм с трехглюонными вершинами впервые показана зависимость нарушения соотношения Грибова Липатова от выбора асимптотического режима в мягкой области.
Механизм испарения адронов в гидродинамической теории множественного рождения впервые обобщен па процессы с образованием кпарк-адронной смешанной фазы, что позволило объяснить основные черты корреляции между средним поперечным импульсом и быстротой ПЛОТНОСТЬЮ пионов как проявление кварк-адронного фазового перехода.
Впервые предсказаны экспериментальные проявления формирования смешанной кварк-адрошюй фазы КХД материи, связанные с тепловой эмиссией дилептонов и испарением адронов.с большими поперечными импульсами. Для диагностики кварк-адронных фазовых переходов предложен оригинальный метод, основанный на анализе корреляции между рождением дилептонов и адронной множественностью. Найдено характерное поведение этой корреляции, обусловленное эффектами переохлаждения и образования капель кваркової! материи.
В рамках развитого кинетического подхода впервые раечнтаны спектры дилептонов из неравновесного расширяющегося ппонного газа с пенулевым химическим потенциалом и предсказано увеличение эмиссии дилептонов вблизи кинематического порога в случае формирования плотной иионной материи в релятивистских ядерных соударениях.
В результате оригинального обобщения известных методой решения уравнений релятивистской гидродинамики впервые выполнен анализ эволюции кварк-глюонного состава иартоппой материи с учетом её коллективного поперечного расширения. Это позволило впервые вычислить
спектры фотонов с использованием единого подхода, включающего как формирование предравновесной партопной материи, так и последующий кварк-адронный фазовый переход, и определить условия, при которых в ядерных соударениях излучение жестких фотонов из кварк-глюонной материи доминирует над адронным газом.
Научная и практическая ценность работы. Построенные в диссертации кинетические модели и развитые методы оказались весьма эффективными при описании неравновесной сильновзаимодействующей материи па всех этапах её эволюции в ультрарарелятивистских ядерных соударениях, включая предравновесную партонную стадию и химически неравновесный пионный газ. Выполненное на кинетическом уровне обобщение ряда известных положений гидродинамической теории множественного рождения, таких как скейлинг коллективного расшиирешш материи, позволило во многих случаях использовать аналитические методы исследования, что дает более прозрачное физическое понимание кинетики кварковой материи по сравнению с известными компьютерными расчетами в рамках каскадных моделей. Несомненно перспективной представляется выдвинутая в работе идея использовать комбинированные кварк-глюонпые системы, состоящие из кварк-глюонной плазмы и струй цветозаряженных партопов, для изучения цветовой кинетики и гидродинамики. Можно ожидать, что найденные здесь эффекты окажутся важпыми как для решения экспериментальных проблем обнаружения хромоплазмы, так и для углублепия современных представлений о характере цветового взаимодействия при высоких температурах.
Развитые в диссертации кинетические методы могут использоваться для расчета многочисленных процессов рождения частиц (дилептонов, фотонов, очарованных и странпых адронов), которые служат сигналами для детектирования кварк-глюонной материи и кварк-адропных фазовых переходов в ультрарарелятивистских соударениях тяжелых ионов. Полученные в работе результаты, указывающие на решающую роль предравновесной партонной материи в формировании спектров умеренно жестких дилептонов при достаточно высокой энергии сталкивающихся ядер, стали общепризнанными и учитываются при составлении экспериментальных программ по ультрарарелятивистским соударениям тяжелых ионов па ускорителях RHIC и LHC. Важное прикладное значение имеют также разработанные в диссертации оригинальные методы обна-
ружения кварк-адроппой смешанной фазы КХД материи и диагностики кварк-адроннных фазовых переходов, которые нашли отражение в> экспериментальных проектах, реализуемых в настоящее время на ускорителе SPS в ЦЕРНе. Кроме того, выполненные в работе исследования и полученные результаты, в частности, по кинетике и гидродинамике кварк-адронных фазовых переходов, могут найти применение при описании астрофизических объектов и ранних этапов эволюции Вселенной.
Апробация диссертации. Основные результаты работы опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных журналах. Они докладывались на Международных конференциях "Hadron structure" (Смоленице, Чехословакия, 1987, 1989, 1990; Пештаны 1988; Братислава, 1993), сессиях Отделения ядерной физики АН СССР (Москва, 1984, 1986, 1988), XX и XXI Международных конференциях "Gross properties of nuclei and nuclear excitations" (Хиршег, Австрия, 1992, 1993), Международной конференции по релятивистским столкнопепиям тяжелых ионов (Будапешт, Венгрия, 1992), Международной школе-конференции "Particle production in highly excited matter" (Иль-Чокко, Италия 1992), Международной конференции "Quark matter '93" (Борланге, Швеция, 1993), XII Международном семинаре по проблемам физики высоких энергий (Дубна, 1994), Международной конференции Strangeness '95" (Тусон, США, 1995), а также на научных семинарах теоретического отдела и коллаборацни HELIOS в ЦЕРНе, в Институте адронной и ядерной физики FZR (Россепдорф, ФРГ), GSI (Дармштадт, ФРГ), ИТФ (Киев), ИАЭ и ФИАН (Москва), ЛТФ и ЛВЭ ОИЯИ (Дубна).
Публикации. Вошедшие* в диссертацию результаты опубликованы и двадцати девяти работах [1 - 29].
Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы. Объём диссертации - 181 страница машинописного текста, 29 рисунков. Библиография содержит 163 наименования.
