пʼятниця, 20 жовтня 2017 р.

Голографічна картина квантової матерії: від чорних дір до кварково-ґлюонної плазми



Одна з центральних проблем сучасної фізики високих енерґій повʼязується з можливістю описати та пояснити поведінку кварково-ґлюонної плазми — стану матерії, що виникає, коли частинки золота та свинцю зіштовхуються на дуже високих енерґіях. При температурах кілька трильйонів кельвінів кварки, що утворюють атомні ядра, втрачають конфайнмент, натомість постає „суп“ з кварків і ґлюонів. Цей стан також існував у дуже ранньому Всесвіті, приблизно 10−11 секунд після Великого Вибуху, і, можливо, існує у центрах нейтронних зірок. Поля матерії у такому стані сильно взаємодіють між собою, тому фізики кажуть, що така взаємодія характеризується „сильною звʼязністю“. Але традиційний підхід до опису квантових полів є обмеженим режимом зі „слабкою звʼязністю“, тому не може надати прийнятні результати для опису кварково-ґлюонної плазми.

Поступ у цьому напрямку пропонує знаменитий голографічний підхід або калібрувально-ґравітаційна дуальність, що була відкрита Хуаном Малдасеною: відповідність між слабкою ґравітацією з одного боку та, з иншого, сильною взаємодією в квантовій теорії поля. З ґравітаційного боку, горизонт подій чорної діри має температуру Гокінґа, що відповідає температурі плазми. Одразу після утворення чорна діра перебуває в збуреному стані, вона випромінює ґравітаційні хвилі, вивільнює надлишок енерґії і наближається до стану рівноваги. Характеристичні частоти такого випромінювання були нещодавно зафіксовані детекторами LIGO і VIRGO, що підтверджує існування чорних дір та ґравітаційних хвиль. Цікаво, що, завдяки голографічному принципу, ці характеристики виконують вирішальну роль у фізиці частинок: частоти, на яких чорні діри випромінюють ґравітаційні хвилі, відповідають гідродинамічним характеристикам кварково-ґлюонної плазми. Завдяки цьому, Павло Ковтун, Ден Шон й Андрій Старинець передбачили існування деякої універсальної поведінки кварково-ґлюонної плазми та довільної квантової матерії у стані „сильної звʼязности“. У 2008 році, при спостереженні кварково-ґлюонної плазми протягом вельми короткого проміжку часу у Релятивістському Колайдері Важких Іонів (у Брукхейвенській національній лабораторії), було підтверджено передбачення цієї універсальности.

Проте, теоретики не повністю задоволені наявністю такого ефективного опису у специфічному режимі сильної звʼязности. Було би цікаво зʼясувати повний шлях, що його проходить матерія, переходячи в режим сильної звʼязности. Для цього необхідно зрозуміти також поведінку квантової матерії у так званому режимі проміжної звʼязности, тобто побудувати „міст“ між традиційною квантовою теорією поля при низькій звʼязности та голографічною картиною сильної звʼязности. Нещодавно було запропоновано такі доповнення теорії Айнштайна поправками вищих степенів просторово-часової кривини у рівняннях для ґравітаційного поля, які можуть відображувати бажаний режим проміжної звʼязности. Однак ми показали, що відповідні неайнштайнові чорні діри виявляються катастрофічно нестабільними, більше того, навіть перед тим, як досягнуто режиму нестабільности, характеристичний спектр таких чорних дір демонструє доволі химерну поведінку: зʼявляються частоти, що мають дуже довгий час життя і майже не згасають. Такі незгасимі частоти у спектрі чорної діри з точки зору голографічної відповідности означають, що квантова матерія, будучи збуреною, або ніколи, або ж занадто довго вертається в стан рівноваги. Це робить запропоновану модифікацію чорних дір поганим кандидатом на шуканий „міст“ між слабкою та сильною звʼязністю.

Нема коментарів

Дописати коментар