Обзор современного теоретического понимания кварк-глюонной плазмы. Подробно обсуждаются результаты аналитических методов и решеточных вычислений.

Лекции, посвященные квантово-полевому описанию барионной материи при высоких плотностях. Начинается изложение с квантово-полевого описания фермионной и бозонной жидкостей, описывается явление сверхпроводимости. Затем автор переходит к основным свойствам КХД, вводит фазовую диаграмму барионной материи, и подробно разбирает явление цветовой сверхпроводимости в различных моделях. Честно говоря, мне изложение показалось несколько постулативным, в том смысле, что описываются результаты без подробного вывода.

В статье исследуется гипотеза, что в самых обычных ядрах часть нуклонов может находиться уже в виде деконфайнмент-капелек адронного вещества. Это может происходить, когда из-за определенного вида нуклон-нуклонного взаимодействия, некоторые нуклоны в ядрах могут начать коррелировать попарно или группами. Причем корреляции могут быть настолько сильными, что эти нуклоны почти что сливаются и их кварковые распределения объединяются. Такой эффект не кажется удивительным, а является предвестником фазового перехода деконфайнмента.

На Рисунке показана фазовая диаграмма ядерного вещества. Зеленой полосой показана область, когда газ отдельных адронов начинает "сгущаться" и приводить к деконфайнменту. Обычные ядра, как видно, уже довольно близки к этой границе, а если им чуть-чуть помочь (например, стукнув по ним виртуальным фотоном, то эту границу можно даже перешагнуть). Именно это и пытаются сделать в ускорительном центре JLab, и перспективы этого исследования также описываются в статье.

Обзор теоретического описания термодинамических свойств кварк-глюонной плазмы. Интересно, что многие аспекты пертурбативного подхода к этому описанию не являются специфическими для КХД, а являются общими свойствами квантовой теории поля. В связи с этим, обзор начитается с обсуждения "педагогического" случая скалярной теории поля. Затем обсуждается случай КХД, описываются различные приближенные аналитические методы, и дается сравнение с результатами решеточных расчетов. Интересно, кстати, что с решеточными вычислениями уже сравниваются как с экспериментальными результатами!

Авторы анализируют особое состояние адронной материи при высоких плотностях, color-flavor locked phase, которое может существовать в центре компактных звезд. Специфика этой фазы в том, что благодаря присутствию безмассовых квазичастиц, теплопроводность такой материи очень высока. Поэтому если ядро звезды действительно находится в этой фазе, то его можно считать изотермическим. Это в свою очередь приводит к тому, что нейтринное остывание такой звезды будет подавлено. В результате вывод: просто нейтронную звезду будет гораздо труднее отличить от нейтронной звезды с ядром из кварковой материи в color-flavor locked фазе. Впрочем, если звезда целиком состоит из этой фазы, то картина ее охлаждения будет, наоборот, сильно отличаться он типичной нейтронной звезды.

Читайте также последние события из астрофизики нейтронных звезд.

Численные решеточные вычисления -- это пока единственный способ работать с сильными взаимодействиями без каких-либо приближений. Эти вычисления могут успешно применяться не только при исследовании свойств отдельных частиц в вакууме, но и при заметных плотностях и температурах, приближающихся к ядерным плотностям. Эти исследования могут непосредственно проверяться в столкновении тяжелых ядер.

В рамках hard-dense-loop теории возмущений получено уравнение состояния кварковой звезды. Показано, что это уравнение состояния, а также связи радиуса с массой, подвержена сильным измерениям даже при небольшой вариации масштаба перенормировки. Таким образом, предсказания КХД относительно свойств кварковых звезд обладают на самом деле большими неопределенностями.

На основе уравнения Больцмана-Ланжевена строится теория поведения полей Янга-Миллса при высоких температурах. В таком режиме константа связи g(T) уже является малым параметром, что позволяет произвести интегрирование по жестким степеням свободы (жесткость означает здесь, что импульс порядка T). В результате получается эффективное описание мягких степеней свободы неабелевого поля, которые -- несмотря на высокие температуры -- по прежнему находятся в режиме сильной связи. Полученное уравнение представляется в виде интеграла по траекториям, на основании которого затем строится диаграммная техника. Анализ петлевых диаграмм приводит к заключению, что исходное уравнение неперенормируемо. Интересно, что эти петли содержат расходимости иного рода, чем те, которые возникают в обычных жестких глюонных петлях, и не допускают перенормировки введением конечного набора контрчленов.

Фазовая диаграмма КХД (т.е. фазы кварк-глюонного вещества при конечных температурах и давлениях) намного богаче, чем считалось ранее. Известный пример деконфайнмента -- высвобождения кварков и глюонов из адронов с образованием единой кварк-глюонной плазмы -- лишь первый из нескольких фазовых переходов, испытываемых кварк-глюонным веществом при повышении температуры и плотности (для подробного обзора см. hep-ph/0011333, The Condensed Matter Physics of QCD, Krishna Rajagopal, Frank Wilczek, 91 pages). Так, оказалось, что при очень высоком давлении оно "затвердевает". Структура получающегося при этом "КХД-кристалла" была недавно проанализирована в hep-ph/0204079, The Crystallography of Color Superconductivity, Jeffrey A. Bowers, Krishna Rajagopal, 41 pages, и был сделан вывод, что "КХД-кристалл" имеет кубическую решетку. В данной работе производится подробный кристаллографический анализ этого кубического "КХД-кристалла".

Результаты RHIC свидетельствуют о том, что термализация партонов в столкновении ядер происходит крайне быстро. В работе исследуется то, насколько такой вывод верен, а именно, как изменятся теоретические предсказания, если отступиться от модели быстрой и полной термализации. Результаты работы подтверждают верность заключения о быстрой термализации.

В работе развивается теория чистой КХД-глюодинамики при конечных температурах в рамках двухпетлевого приближения схемы hard-thermal-loop. Вычисленное значение глюонной плотности находится в противоречии с результатами решеточных вычислений.