Международный коллектив ученых теоретически исследовал свойства кварк-глюонной плазмы. Оказалось, что за счет термического испарения глюонного конденсата момент инерции кварк-глюонной плазмы может быть отрицательным. Работа опубликована в журнале Physical Review D.

Кварки и глюоны являются элементарными частицами, из которых состоит окружающий нас мир. Несмотря на то, что есть множество экспериментальных данных, которые подтверждают этот факт, обнаружить кварки и глюоны в свободном состоянии, как электроны и фотоны в обычных условиях, невозможно. Это связано с тем, что кварки и глюоны находятся в связанном состоянии внутри адронов (например, внутри протонов и нейтронов), которые и обнаруживаются в экспериментах. Однако если повысить температуру до очень высоких значений (примерно 1.5 × 10^12 градусов), то кварки и глюоны смогут находиться в свободном состоянии. Происходит фазовый переход из фазы конфайнмента (адронной фазы) в фазу деконфайнмента. Состояние вещества при такой высокой температуре называется кварк-глюонная плазма. Ее можно получить в современных экспериментах по столкновению тяжелых ионов.

Помимо высокой температуры, кварк-глюонная материя, которая рождается в таких экспериментах, подвергается воздействию и других экстремальных условий: сильные электромагнитные поля, высокая плотность, сверхбыстрое вращение. Относительно последнего фактора можно утверждать, что в результате столкновения ионов кварк-глюонная плазма вращается с огромной угловой частотой примерно 10^22 Гц. Целью исследования коллектива ученых из ОИЯИ и МФТИ  являлось изучение свойств быстро вращающейся кварк-глюонной плазмы. Самым простым параметром, характеризующим вращение, является момент инерции, который и исследовался в работе.

В классической механике момент инерции физического тела I — это коэффициент пропорциональности между угловым моментом тела L и угловой скоростью ?, с которой вращается тело. В системах, описываемых классической физикой и находящихся в состоянии теплового равновесия, момент инерции является положительной величиной. Однако численное моделирование, выполненное двумя различными методами как для статической, так и для вращающейся глюонной плазмы, показывает, что утверждение о положительности механического момента инерции не может быть применено к плазме глюонов. Напротив, глюонная плазма обладает отрицательным моментом инерции в широком диапазоне температур выше перехода деконфайнмента, то есть кварк-глюонной плазмы.

При очень высокой температуре (T > 4,5 × 10^12 градусов) момент инерции становится положительным и хорошо описывается приближением свободных вращающихся кварков и глюонов.

В исследовании авторы показали, что отрицательный момент инерции связан со следующим свойством кварк-глюонной материи. При низкой температуре вакуум в теории сильных взаимодействий представляет собой не пустое пространство, а сильные флуктуации глюонного поля. Именно такое состояние соответствует минимуму энергии в теории сильных взаимодействий и называют глюонным конденсатом. При повышении температуры флуктуации глюонных полей ослабевают, и в фазе деконфайнмента они превращаются в свободные глюоны. Можно сказать, что глюоны, которые находятся в связанном состоянии в конденсате при низкой температуре, испаряются при повышении температуры. Это явление было известно задолго до появления указанной выше работы. Однако оказалось, что это явление оказывает существенное влияние на вращение кварк-глюонной плазмы и приводит к отрицательному моменту инерции. Когда глюонный конденсат полностью испаряется и глюоны становятся свободными, момент инерции становится положительной величиной.

В отличие от классической механики, в квантовой механике полный момент системы ? складывается из углового момента ? и спина системы ?, а момент инерции — это коэффициент пропорциональности между ? и ?. Авторы высказали гипотезу, что отрицательный момент инерции может означать, что ? и ? противоположно направлены в кварк-глюонной плазме в определенном диапазоне температур. Предполагая, что угловой момента ? сонаправлен с ?, получается, что спин глюонов в кварк-глюонной плазме направлен  противоположно к ?. Т.е. вращение приводит к поляризации спинов глюонного поля кварк-глюонной плазмы, но в противоположном ? направлении.

Известен квантово-механический эффект Барнетта, который является проявлением спин-орбитального взаимодействия собственного вращательного момента частицы (спина) с ее орбитальным движением. Он подразумевает, что спин частиц, испытывающих вращательное коллективное движение, направлен вдоль локальной угловой скорости системы. В случае, рассмотренном в научной работе, наблюдается противоположный эффект, поэтому авторы и называли его отрицательным эффектом Барнетта. Отметим, что кварк-глюонная плазма — единственная система, где в широком диапазоне температур наблюдается обратный эффекта Барнетта. 

Рисунок 1. Слева: обычный (положительный) эффект Барнетта — система обладает положительным угловым моментом ?, который перераспределяется между положительным орбитальным импульсом ?, что соответствует вращению против часовой стрелки и положительной спиновой поляризации ?. Момент инерции при этом положительный. Справа: отрицательный эффект Барнетта — система обладает положительным угловым моментом ? =?⁢?, который перераспределяется между большой положительной спиновой поляризацией ? = ?⁢? и орбитальный угловой момент ? = ?⁢?, который принимает отрицательное значение ? < 0. При этом ? и ? противоположно направлены, а ? сонаправлен с угловой скоростью. В такой конфигурации момент инерции отрицателен. Источник: Physical Review D.

«Мы исследовали момент инерции кварк-глюонной плазмы методами решеточного моделирования, — рассказал Виктор Брагута, доктор физико-математических наук, профессор кафедры фундаментальных и прикладных проблем физики микромира МФТИ. — Удалось показать, что этот момент инерции отрицателен в определенном диапазоне температур, что связано с испарением глюонного конденсата в теории сильного взаимодействия. Возможно, отрицательный момент инерции связан с отрицательным эффектом Барнетта кварк-глюонной плазмы. Наше исследование важно для понимания свойств вращающейся кварк-глюонной плазмы и может быть использовано для интерпретации экспериментов по соударению тяжелых ионов. Оригинальный текст работы мы также выложили на  архив».