Главная цель физики процессов с тяжелыми ионами − исследование свойств рожденной в столкновениях релятивистских ядер материи с высокой плотностью энергии и их описание из первых принципов фундаментальной теории сильных взаимодействий − квантовой хромодинамики (КХД). Образование нового сверхплотного состояния вещества предсказывается статистической КХД для сильновзаимодействующих систем с достаточно высокой температурой (T > 200 МэВ). Согласно современным космологическим представлениям, кварк-адронный фазовый переход имел место в ранней Вселенной в первые микросекунды после Большого Взрыва. Эксперименты с пучками тяжелых ионов дают уникальную возможность воссоздания в лабораторных условиях существовавшей на самых ранних стадиях развития Вселенной прото-материи, изучение свойств которой представляет значительный интерес как с точки зрения понимания природы фундаментальных взаимодействий и происхождения элементарных частиц, так и с точки зрения проверки современных теорий рождения и эволюции Вселенной.
    Интенсивные экспериментальные исследования проводятся на коллайдере RHIC (США) в коллаборациях STAR [1], BRAHMS [2], PHENIX [3], PHOBOS [4] (краткое описание экспериментальных установок дано в приложении 9.1). Рождение частиц в столкновениях тяжелых ионов и зависимость их распределений от свойств плотной новой среды исследуются экспериментально как функции большого числа переменных. Эти переменные включают как кинематические величины (энергия в системе центра масс, поперечный импульс и быстрота частицы), так и специфические переменные ядро-ядерных столкновений (прицельный параметр или число участвующих во взаимодействии нуклонов), необходимые для контроля размера и формы области столкновения.
    Объектом исследования являются экстремальные состояния ядерной материи, возникающие в областях локальных флуктуации плотности энергии в результате взаимодействий тяжелых ионов сверхвысоких энергий. Основные характеристики таких экстремальных состояний материи могут быть измерены с помощью ряда физических процессов рождения частиц: адронов, фотонов, лептонов, тяжелых кваркониев, жестких струй и струй от тяжелых кварков, различных импульсных и энергетических корреляций, азимутальной анизотропии частиц и потоков энергии.
    По данным экспериментов плотность энергии в рожденном сгустке материи
ε ≈ 5 ГэВ/Фм³ [2], что выше критической плотности ≈ 1 ГэВ/Фм³ , ожидаемой в расчетах КХД на решетках [5, 6] для перехода в состояние кварк-глюонной плазмы (КГП). Это условие является необходимым, но недостаточным. Для доказательства образования КГП нужно по крайней мере три условия: высокая плотность энергии, термализация вещества и деконфайнмент, т.е. образование состояния, в котором кварки и глюоны не связаны в адроны.
    За последние два десятка лет процессы при столкновении тяжелых ионов изучались при все более увеличивающейся энергии √s в системе центра масс на пару нуклонов от AGS (БНЛ) {√s ≤ 5 ГэВ), SPS (ЦЕРН) (√s ≤ 20 ГэВ) до RHIC (БНЛ) (√s ≤ 200 ГэВ). Данные этих экспериментов показывают замечательные общие тенденции в зависимости как от размеров ядер, так и от кинематических переменных. Начало работ на коллайдере LHC в ЦЕРНе в 2008 году позволит изучать процессы при столкновении тяжелых ионов при энергии √s = 5500 ГэВ, что почти в 30 раз больше, чем на коллайдере RHIC.
    Физика столкновений ультрарелятивистских ядер − это новое направление с еще не вполне устоявшимися представлениями. Настоящее пособие посвящено экспериментальным исследованиям, которые открывают новые эффекты и закономерности, не всегда предсказываемые теорией. Можно сказать, что в этом разделе физики эксперимент идет впереди теории. Пособие не преследует цели дать описание теоретических моделей. Из многочисленных теоретических работ берутся лишь физические понятия и представления. В нем также не затронуты такие важные темы физики тяжелых ионов, но представленные в курсе лекций, как химическое и кинематическое "замерзание", усиление выхода странных и ослабление выхода очарованных частиц, измерение размеров области источника адронов, "плавление" адронных резонансов.
    Полезно для начала определить, что понимается под КГП, т.к. за 30 лет после введения такого понятия [7] теоретические представления изменились. КГП − это (локальное) термально-равновесное состояние материи, в котором кварки и глюоны не связаны (деконфайнмированы). В этом состоянии происходит восстановление киральной симметрии.
    При этом следует оговорить условия образования КГП при столкновении релятивистских ионов.

• Не ставится условие, чтобы кварки и глюоны не взаимодействовали, как это было в ранних теоретических работах. Расчеты КХД на решетках показывают, что идеальная КГП может существовать только при температурах много больших, чем температура, необходимая для перехода в деконфайнмент. Было предложено называть новую материю горячая "сильновзаимодействующая кварк глюонная плазма" (СКГП) [8, 9].
• Не требуется доказательства 1-го или 2-го фазового перехода, предполагающего резкие изменения наблюдаемых характеристик. Образование КГП происходит за некоторой критической точкой в барионной плотности с быстрым изменением, но без разрыва глобальных характеристик СКГП.
• Восстановление киральной симметрии будет достаточным доказательством существования новой формы материи. КХД предсказывает, что переход в КГП сопровождается деконфайнментом, хотя теоретически этот вопрос не решен окончательно. Поиск проявления восстановления киральной симметрии − одна из главных целей RHIC.

    Иллюстрации к введению (слайды 2-8).

    В дополнение к данному курсу лекций полезно прочитать книгу В.М.Емельянова, С.Л.Тимошенко и М.Н.Стриханова "Введение в релятивистскую ядерную физику" [10], в которой впервые дан обзор экспериментальных данных (до 2004 года) и приведено описание теоретических моделей, используемых в физике столкновения релятивистских ионов. Можно также ознакомиться с книгой, написанной до начала экспериментов на RHIC (1994 г.) C.Y.Wong "Introduction to High Energy Heavy Ion Collisions" [11]. Укажем, кроме того, последние теоретические обзоры [12, 13], в которых даны описания моделей и детальное сравнение их результатов с экспериментом.
    В конце данного пособия дан список литературы, полезной для начинающих изучать физику высоких энергий и физику элементарных частиц. Приведены также ссылки в Рунете на электронную версию данного текста, на визуальные материалы, используемые автором во время чтения каждой лекции, и на некоторые обзоры по физике столкновений ультрарелятивистских ядер. В приложениях дано краткое описание экспериментальных установок, определения кинематических переменных и формулы для вычисления числа нуклонов двух ядер, участвующих в неупругом взаимодействии. В отдельном приложении в конце пособия приведены иллюстрации, которые будут полезны для научных докладов студентов и для преподавателей физических факультетов других вузов.