Nazwa Projektu: Modelowanie dynamiki plazmy kwarkowo-gluonowej

Akronim Projektu: OPUS 21a

Budżet Projektu: 733 200 PLN

Czas trwania projektu: 13.01.2022- 12.01.2025

Kierownik Projektu: prof. dr hab. Michał Spaliński

Opis Projektu:

Celem tego projektu jest pogłębienie wiedzy na temat plazmy kwarkowo-gluonowej. Jest to jedno z kluczowych zadań fizyki cząstek elementarnych, którego znaczenie wykracza poza dziedzinę oddziaływań jądrowych lub silnych, ponieważ skupia się na fundamentalnej fizycznej treści samej teorii Yanga-Millsa. W szerszym sensie projekt ma na celu pogłębienie naszej wiedzy na temat ewolucji relatywistycznych systemów kwantowych w kierunku równowagi lokalnej, co samo w sobie jest fascynującym wyzwaniem o szerokich implikacjach. Plazma kwarkowo-gluonowa (QGP) wytworzona w eksperymentach zderzeń ciężkich jonów w RHIC i LHC jest początkowo w stanie dalekim od równowagi, który po czasie około 0,5 fm osiąga etap ewolucji, który można modelować za pomocą dynamiki płynów. W ciągu ostatnich 15 lat stało się jasne, że takie modele mogą odtwarzać złożone zachowania stanów raczej odległych od lokalnej równowagi. Wymaga to wyjaśnienia, zwłaszcza w przypadku małych układów, takich jak te powstające w zderzeniach proton-jądro. Dlatego ważne jest, aby zrozumieć, jakie są ograniczenia istniejących teorii hydrodynamicznych i dziedziny ich zastosowania. Projekt ten ma na celu systematyczne zrozumienie możliwości konstruowania modeli hydrodynamicznych, które oddają podstawową fizykę, są stabilne, przyczynowe i mają dobrze zdefiniowany problem wartości początkowej. Taki opis jest możliwy w reżimie relatywistycznym tylko wtedy, gdy teoria Naviera-Stokesa zostanie poszerzona o nowe, przejściowe stopnie swobody, które na poziomie zlinearyzowanym pojawiają się jako mody niehydrodynamiczne. Z perspektywy mikroskopowej te stopnie swobody mogą być postrzegane jako określające reżim pośredni między słabo zdefiniowanymi quasicząstkami w małych odległościach a wzbudzeniami hydrodynamicznymi, które dominują w pobliżu równowagi fizyka. Celem modeli hydrodynamicznych jest odtworzenie fizycznie istotnych cech danej teorii mikroskopowej, co wymaga dopasowania obu opisów. Dla danego modelu hydrodynamicznego oznacza to zwykle dopasowanie zachowania asymptotycznego w celu określenia współczynników transportu. W kontekście proponowanych tu badań istnieje dodatkowa dowolność związana z dopasowaniem cech, które mają znaczenie tylko z dala od równowagi. Aby opracować skuteczne strategie tego działania, potrzebne są modele mikroskopowe, które pozwolą na ilościowe obliczenia odpowiednich obserwabli, a także zestaw kryteriów określających sposób przeprowadzenia tego dopasowania. Dla opisywanego tu projektu odpowiednie modele istnieją lub mogą być sformułowane w ramach korespondencji AdS/CFT, teorii kinetycznej lub nawet w języku hydrodynamiki. Będzie to obejmować różnorodne techniki, w tym analizę asymptotyczną równań różniczkowych zwyczajnych i cząstkowych, a także obliczenia numeryczne, z wykorzystaniem zaawansowanych narzędzi analizy danych i uczenia maszynowego. Obiecującym pomysłem na wyjaśnienie skuteczności hydrodynamiki w kontekście ciężkich jonów są atraktory dalekie od równowagi, które zostały zidentyfikowane w niektórych układach modelowych. Ważnym zadaniem tego projektu jest zbadanie fizycznych implikacji takich atraktorów, które można postrzegać jako pomost między modelami początkowej depozycji energii a etapem ewolucji hydrodynamicznej w stanie zbliżonym do równowagi. Fizyczne zastosowania tego pomysłu dopiero niedawno zaczęto badać. Okazało się jednak, że identyfikacja atraktorów poza wyidealizowanym ustawieniem konforemnego przepływu Bjorkena okazała się trudne. Nowatorska strategia przezwyciężenia tych trudności została zaproponowana w zeszłym roku: ma ona na celu oparte na danych podejście do tego problemu poprzez postrzeganie rozpraszania jako kurczenia się regionów przestrzeni fazowej. Dotychczas wdrożono tylko najprostsze techniki analizy danych, ale wyniki są zachęcające. Istnieją bardziej zaawansowane techniki, które odniosły duży sukces w innych dziedzinach (takich jak astrofizyka). W ramach tego projektu zbadane zostaną takie nowe metody, aby zidentyfikować „powolne regiony” przestrzeni fazowej, które działają jako przyciągające rozmaitości. Podsumowując, projekt ten ma na celu uzyskanie istotnych nowych informacji na temat dynamiki plazmy kwarkowo-gluonowej i jej modelowania pod kątem mechaniki płynów. Ważne Produktem ubocznym tych badań powinno być pogłębienie zrozumienia relatywistycznej hydrodynamiki w sposób, który będzie przydatny również w innych dziedzinach badań.