Trạng thái plasma Quark

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5

309

TRẠNG THÁI PLASMA QUARK - GLUON

Đặng Thị Minh Huệ, Lê Thị Thắng

Trường Đại học Thủy lợi, email: lethithang@tlu.edu.vn

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Các nghiên cứu cơ bản về hạt nhân

nguyên tử đã khẳng định rằng, proton và

neutron được tạo thành từ các hạt cơ bản

hơn, đó là các hạt quark. Trong trường hợp

bình thường, các quark liên kết chặt với

nhau bên trong proton và neutron thông qua

gluon. Gluon là một hạt boson không khối

lượng, có spin bằng 1, không bao giờ tồn tại

ở dạng tự do. Gluon đóng vai trò là hạt trung

gian liên kết cặp quark up (q) và phản quark

down ( q) trong hạt nhân [1-4]. Như vậy,

gluon là hạt truyền tương tác hạt nhân, hay

các quark liên kết chặt chẽ với nhau thông

qua gluon. Không có gluon thì không có

nguyên tử, không có vật chất, không có thế

giới ngày nay.

Khi ở nhiệt độ cực cao (cỡ 12

2.10 K),

nguyên tử hạt nhân có năng lượng rất lớn, lúc

này lực tương tác hạt nhân mạnh không thể

gắn kết các proton và neutron được nữa,

chúng tách nhau ra và tồn tại dưới dạng vật

chất mới, được gọi là plasma quark - gluon.

Tức là, vật chất ở trạng thái nóng đến mức

các proton và neutron từ trung tâm nguyên tử

có thể tan chảy tạo thành dạng vật chất nóng

nhất gọi là plasma quark gluon. Các nhà vật

lý ở trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu

đã tạo ra trạng thái này trong phòng thí

nghiệm bằng cách gia tốc các hạt và cho

chúng va chạm với nhau trong ống chịu được

nhiệt độ cực cao [2,4]. Cho đến nay, nghiên

cứu về trạng thái này vẫn đang là một chủ đề

nghiên cứu quan trọng, hấp dẫn và nhiều thử

thách của vật lý hạt.

Lý thuyết về tương tác mạnh được mô tả

bởi sắc động học lượng tử (QCD) dựa trên

tính đối xứng chuẩn SU(3): Tương tác mạnh

được điều chỉnh bởi các gluon, đó là các

boson véc tơ thỏa mãn SU(3), gọi là thuộc

nhóm boson chuẩn [3]. Theo QCD, một

quark thuộc dạng biểu diễn cơ bản của SU(3)

và có thể có 3 trạng thái ứng với các bậc tự

do màu sắc khác nhau. Các bậc tự do đó được

biểu thị bằng chỉ số i và một quark có thể

được viết là qi (i = 1, 2, 3: đỏ, xanh lá cây và

xanh dương). Nhưng, một quark luôn có phản

quark q-i của nó nên phản quark có phản màu.

Tuy nhiên, màu quark thường thay đổi do

tương tác quark-gluon. Sự khác biệt về màu

sắc được gluon mang đi. Như vậy, gluon

mang một màu và một phản màu, hoạt động

và biến đổi như một cặp quark-phản quark

q-iqj. Do đó, có 8 loại gluon [2].

Tóm lại, “điện tích màu” là nguồn gốc của

tương tác mạnh. Tương tác mạnh QCD trở

nên yếu ở mức năng lượng cao. Bản thân

gluon là hạt có điện tích màu mang nhiệm vụ

truyền tương tác mạnh. Do đó gluon có khả

năng tự tương tác. Mặc dù là thành phần cơ

bản của vật chất nhưng cho đến nay mảng

nghiên cứu về gluon và lực hạt nhân mạnh

nói chung, cũng như tương tác của trạng thái

plasma quark-gluon nói riêng vẫn còn rất

nhiều bí ẩn mà các nhà khoa học chưa tìm ra

lời giải đáp đầy đủ [1].

Ở bài báo này, chúng tôi nghiên cứu pha

trạng thái plasma quark-gluon của môi

trường chất hạt nhân với mục đích tìm hiểu

thế nhiệt động của trạng thái này dựa trên mô

hình lý thuyết QCD nhiễu loạn. Từ đó có thể

rút ra kết luận về tính chất vật lý của trạng

thái này.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5

310

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chúng tôi nghiên cứu lý thuyết các tính

chất của trạng thái plasma quark - gluon dựa

trên lý thuyết trường lượng tử ở nhiệt độ hữu

hạn và sử dụng mô hình hiệu dụng của QCD

nhiễu loạn trong gần đúng một vòng.

Lagrangian của mô hình có dạng:



Lqi g m q

qi qFFU













  

 (1)

trong đó:





22 2

22 22

222 22

24!

,3 ,

mmm mm



    



 









 



 





 





(2)

với q, σ, ,









lần lượt là các toán tử trường

quark, sigma meson, pion meson và omega

meson; mq, m



, m



, m



lần lượt là khối lượng

tương ứng của quark, sigma meson, pion

meson và omega meson; fπ là hằng số phân

rã của pion;µlà thế hóa học của môi trường

hạt nhân; gs, gv, gsv, m,



là các tham số của

mô hình.

Để thực hiện mục đích nói trên, trước tiên

tác giả xác định biểu thức thế nhiệt động của

trạng thái plasma quark-gluon trong môi

trường hạt nhân trong trường hợp không có

ngưng tụ pion, từ đó thiết lập phương trình

trạng thái mô tả các tính chất vật lý của trạng

thái này.

3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Từ Lagrangian (1) chúng tôi thu được biểu

thức nghịch đảo của hàm truyền cây trong

không gian xung lượng của trạng thái plasma

quark-gluon trong môi trường hạt nhân trong

trường hợp không có ngưng tụ pion (trị trung

bình của toán tử trường pion bằng không):





ˆ0

























(3)





ˆ0

qq q

Gkq

























(4)

trong đó

010















;v







qq qq v qq s

mgum g









 ,



, 0,

vsv

mg mgu

 







. (5)

Từ (3) và (4) suy ra:



Det ( , , )

kE kE kE kE













(6)



Det ( , , )

Gkq

kE kE kE kE















(7)

với

kM g











kM g











EkM













,22

EkM













qq qq v

kM gq







qq qq v

kM gq







kM g











kM g











, (8)

Từ biểu thức định nghĩa thế nhiệt động

[2], sử dụng lý thuyết trường lượng tử ở

nhiệt độ hữu hạn, thu được thế nhiệt động Ω

của trạng thái plasma quark-gluon trong môi

trường hạt nhân:

() ()

rln rln .

(2 ) (2 )

UiD iG

id k id k

UD G







     





(9)

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5

311

Thay (3), (4) vào (7) thu được biểu thức

thế nhiệt động viết dưới dạng

()

2ln()ln()

(2 )

()

2ln()ln()

(2 )

()

2ln()ln()

(2 )

()

2 ln( ) ln( ) . (10)

(2 )

Ui kE kE

ikEkE















    

























Trong hình thức luận thời gian ảo và gần

đúng một vòng đối với trường quark, biểu

thức của thế nhiệt động được viết là:

2ln(1)

2ln(1),

cf p

NN E T e kdk

NN kdk T e U







  











 (11)

trong đó số màu Nc = 3 và số vị Nf = 2, Ep là

năng lượng trên vỏ quark:

EkM

. (12)

Dựa vào (11) chúng tôi tính được áp suất

và mật độ năng lượng của pha trạng thái

plasma quark - gluon trong môi trường hạt

nhân như sau:

* Áp suất:

Trạng thái vật lý mà chúng ta quan sát

phải là trạng thái ứng với cực tiểu của thế

nhiệt động,

min 22

ln 1 ln 1

vsv

PMM

Tkdk e e













  

















. (13)

* Mật độ năng lượng toàn phần:

Thực hiện phép biến đổi Legender, thu

được:

2222

2/1

2222

111

vsvsv

pET E

gggg

MMMM

kdk E ee



































,(14)

mật độ các quark (véc tơ) và tổng mật độ các

hạt khác (gọi chung là các hạt vô hướng)

trong mô hình, được tính từ:









 



. (15)

Phương trình (13), (14) là các phương trình

trạng thái cho phép xác định các tính chất của

chất hạt nhân ở pha plasma quark - gluon.

Biểu thức (5), (8) và (12) cho thấy: khi

nhiệt độ T có giá trị cực cao, năng lượng của

các hạt tức là cực lớn, liên kết quark - phản

quark bị phá vỡ, lúc này gluon được giải

phóng và chất hạt nhân ỏ pha plasma quark -

gluon. Khẳng định này hoàn toàn phù hợp

với kết quả của các nghiên cứu khác. Tuy

nhiên, khi đó năng lượng ở vỏ quark chỉ còn

phụ thuộc véc tơ sóng trong không gian xung

lượng. Tức là ở trạng thái này, các quark hoạt

động và biến đổi như một sóng lan truyền

trong môi trường plasma.

4. KẾT LUẬN

Ở bài báo này, chúng tôi thu được các kết

quả chính như sau:

1. Tìm được biểu thức thế nhiệt động, các

phương trình trạng thái mô tả trạng thái

plasma quark - gluon.

2. Kết quả nghiên cứu cho thấy ở pha

plasma quark - gluon, liên kết quark - phản

quark bị phá vỡ, gluon được giải phóng và

các quark vận động như một mode sóng lan

truyền trong môi trường chất lưu. Đây cũng

là kết quả mới của bài báo.

5. TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Erdem Sucu, Ali Övgün (2024), The effect

of quark-antiquark confinement on the

deflection angle by the NED black hole,

https://doi.org/10.1016/j.dark.2024.101446.

[2] F. Karsch (2007), Properties of the quark

gluon plasma: a lattice perspective. Nucl.

Phys. A 783, 13.

[3] K.Kanayaa (2000), Hadronic Properties

from Lattice QCD with Dynamical Quarks.

UTHEP-425 UTCCP-P-86.

[4] K. Yagi, T. Hatsuda, Y. Miake (2005), Quark-

Gluon Plasma: From Big Bang To Little Bang,

Cambridge University Press, Cambridge.

Trạng thái plasma Quark - Gluon

Chủ đề:

Vật lý plasma

Tài liệu liên quan

Nghiên cứu số về phương pháp bias điện áp sử dụng trong giảm dòng nhiệt thông tới bề mặt kim loại

Hiệu ứng nhiệt - từ lên phổ năng lượng của nguyên tử hydro đặt trong plasma