Plazma wytrącona z równowagi

Chwilę po Wielkim Wybuchu, gdy Wszechświat był bardzo młody, mały i gorący, wypełniała go materia w postaci plazmy kwarkowo-gluonowej. Obecnie fizycy potrafią wytworzyć krople takiej plazmy, zderzając najcięższe jądra atomowe tak szybkie niemal jak światło. Poznawane własności plazmy okazują się zdumiewające, trudne do pojęcia, ale największą tajemnicą jest zachowanie plazmy zaraz po jej narodzinach. Celem projektu badawczego Nierównowagowa plazma kwarkowo-gluonowa finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki jest właśnie wyjaśnienie tej tajemnicy.

Układ wielu zjonizowanych atomów, a więc dodatnio naładowanych jonów i elektronów obdarzonych ładunkami ujemnymi nazywa się plazmą, dokładniej plazmą elektromagnetyczną lub elektronowo-jonową. Plazma wykazuje cały szereg niebywale ciekawych i bardzo specyficznych własności i stąd bywa nazywana czwartym stanem materii, po ciałach stałych, cieczach i gazach. Prezentowany projekt dotyczy jednak całkiem innego obiektu – plazmy kwarkowo-gluonowej.

Kwarki i gluony to składniki cząstek elementarnych podlegających tzw. oddziaływaniom silnym, którym zawdzięczamy istnienie jąder atomowych. Wspomniane cząstki to hadrony, do których w szczególności należą protony i neutrony, zwane wspólnie nukleonami, a tworzące jądra atomowe. Nukleon zbudowany jest z trzech kwarków powiązanych, sklejonych z pomocą gluonów (ang. glue - klej). Poza cząstkami trzy-kwarkowymi, istnieją jeszcze cząstki nazywane mezonami, każda tworzona przez parę kwark i antykwark. Kwarki i gluony obdarzone są ładunkami kolorowymi – czymś w rodzaju ładunków elektrycznych – i mają tę szczególną cechę, że istnieją jedynie w układach kolorowo neutralnych, takich jak wspomniane nukleony, gdzie trzy podstawowe kolory kwarków składają się na biel. Wspomniana cecha stanowi treść hipotezy uwięzienia, która wyklucza istnienie pojedynczych swobodnych kwarków, nie wyklucza natomiast istnienia układu bardzo wielu kwarków i gluonów uwolnionych z wnętrz hadronów i tworzących makroskopowy układ, który jako całość jest kolorowo neutralny. Taki właśnie obiekt nazywany jest plazmą kwarkowo-gluonową.

Plazmę elektronowo-jonową można otrzymać z gazu atomowego przez podgrzewanie lub podwyższanie jego gęstości. Jak wiadomo grzanie gazu prowadzi do wzrostu prędkości atomów, a ich zderzenia skutkują jonizacją atomów, czyli odrywaniem się elektronów od jąder atomowych. W przypadku kompresji zimnego gazu jonizacja atomów następuje, gdy średnia odległość między jądrami atomowymi staje się bliska promieniowi atomu. Wówczas, danego elektronu nie można przypisać żadnemu atomowi, a zatem jest on wolny. Plazmę kwarkowo-gluonową można otrzymać z gazu hadronowego w podobny sposób. Istotne jest, że w odróżnieniu od cząstek elementarnych takich jak elektrony, hadrony nie są obiektami punktowymi, lecz mają niezerowe rozmiary rzędu 1 fm tj. 10^-13 cm. Jeśli więc gaz tworzony przez nukleony zwany materią jądrową zgnieciemy do gęstości takiej, że średnia odległość między nukleonami będzie istotnie mniejsza niż 1 fm, to powstanie plazma kwarkowo-gluonową. Podgrzewanie materii jądrowej, również prowadzi do wytworzenia plazmy kwarkowo-gluonowej, choć przyczyny są tutaj inne niż w przypadku plazmy elektronowo-jonowej, gdyż hipoteza uwięzienia zakazuje istnienia wydzielonych kwarków. Jednak w zderzeniach rozpędzonych hadronów mogą produkować się nowe hadrony, głównie mezony, co powoduję, że podgrzewanie gazu hadronowego będzie prowadziło do wzrostu jego gęstości i nieuniknionego powstania plazmy.

Fakt, że bardzo gęsta materia jądrowa może istnieć jedynie w formie plazmy kwarkowo-gluonowej prowadzi automatycznie do wniosku, że w odpowiednio wczesnej epoce ewolucji Wszechświata jego materię stanowiła właśnie plazma, która następnie, gdy gęstość materii obniżyła się, zamieniła się w hadrony. Przypuszcza się również, że plazma istnieje obecnie w niektórych bardzo gęstych obiektach astronomicznych, takich jak gwiazdy neutronowe. Najbardziej jednak intrygująca jest możliwość wytwarzania plazmy kwarkowo-gluonowej w warunkach laboratoryjnych, w zderzeniach ciężkich i bardzo szybkich jąder atomowych. Jednoczesne zderzenie wielu nukleonów z zamianą ich energii ruchu postępowego na ciepło stwarza warunki dla istnienia plazmy kwarkowo-gluonowej.

Według drugiej zasady termodynamiki, każdy izolowany układ dąży, zwiększając swoją entropię, do stanu równowagi termodynamicznej. Jedną z najbardziej zdumiewających cech plazmy kwarkowo-gluonowej powstającej w zderzeniach jąder atomowych, jest bardzo szybkie, szybsze nim się teoretykom śniło, osiąganie stanu równowagi termodynamicznej. Wyjaśnienie zagadki błyskawicznej termalizacji plazmy jest jednym z centralnych problemów fizyki zderzeń jądrowych.

Od połowy lat 90-tych kierownik przedstawianego projektu dowodził, że plazma, powstająca na skutek wpadnięcia jednego rozpędzonego jądra na drugie, jest niestabilna, podobnie jak niestabilna jest często plazma elektromagnetyczna, gdy próbujemy nad nią zapanować i wykorzystać ją do produkcji energii dzięki reakcjom fuzji termojądrowej. Niestabilności powodują spontaniczne powstawanie silnych pól oraz gwałtowny i chaotyczny ruch składników plazmy sprzyjający szybkiej termalizacji. Pogląd ten jest obecnie powszechnie akceptowany, lecz daleko jest wciąż do napisania scenariusza ewolucji plazmy kwarkowo-gluonowej od narodzin do osiągnięcia równowagi. Zadania prezentowanego projektu teoretycznych badań, których generalnym celem jest stworzenie podstaw takiego scenariusza, dzielą się na dwie grupy. Pierwsza jest zorientowana na poznanie dynamiki niestabilnej plazmy kwarkowo-gluonowej, na wyliczenie jej kilku charakterystyk. Druga zmierza do wypracowania teoretycznych narzędzi opisu owej wytrąconej z równowagi plazmy.

Głównymi wykonawcami projektu są profesor i jego dwie doktorantki, współpracujący z fizykami z różnych stron świata przy realizacji poszczególnych zadań. Efektem projektu ma być lepsze zrozumienie fenomenu błyskawicznej termalizacji i rozwój teoretycznych metod. Produktem ubocznym niejako mają być dwie rozprawy doktorskie.

Rys. 2. Alina Czajka (po lewej) i Katarzyna Deja (po prawej)

Prof. dr hab. Stanisław Mrówczyński

Zatrudniony w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Jana Kochanowskiego w Kielcach oraz w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Warszawie. W latach 1975-1980 studiował na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Stopień doktora uzyskał w Instytucie Fizyki Teoretycznej w Kijowie w 1985 roku, a w roku 1991 doktora habilitowanego w Instytucie Problemów Jądrowych im. A. Sołtana w Warszawie. Od 1999 roku jest profesorem nauk fizycznych. Zajmuje się głównie teorią zderzeń relatywistycznych jonów i plazmy kwarkowo-gluonowej. Wraz z grupą fizyków z kieleckiego uniwersytetu uczestniczy także w eksperymentach NA49 i SHINE/NA61 prowadzonych w CERN. Jest autorem przeszło stu publikacji naukowych i podobnej liczby artykułów popularnych.

Data publikacji: 01.08.2012