Teori giver køreplan i søgen efter kvarksuppe kritisk punkt

Takket være en ny udvikling inden for atomfysisk teori, forskere, der udforsker ekspanderende ildkugler, der efterligner det tidlige univers, har nye tegn at kigge efter, når de kortlægger overgangen fra urplasma til materie, som vi kender det. Teorien virker, beskrevet i et papir, der for nylig blev offentliggjort som et redaktionsforslag i Fysisk gennemgangsbreve ( PRL ), identificerer nøglemønstre, der ville være bevis på eksistensen af ​​et såkaldt "kritisk punkt" i overgangen mellem forskellige faser af nukleart stof. Ligesom frysepunktet og kogepunkterne, der afgrænser forskellige faser af vand - væske, fast is, og damp - de punkter, atomfysikere søger at identificere, vil hjælpe dem med at forstå de grundlæggende egenskaber ved vores univers.

Kernefysikere skaber ildkuglerne ved at kollidere med almindelige kerner – lavet af protoner og neutroner – i en "atomsmasser" kaldet Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), et amerikansk Department of Energy Office of Science User Facility på Brookhaven National Laboratory. De subatomære smashups genererer temperaturer, der måler billioner grader, varmt nok til at "smelte" protoner og neutroner og frigive deres indre byggesten - kvarker og gluoner. Collideren vender i det væsentlige uret tilbage for at genskabe det "kvark-gluonplasma" (QGP), der fandtes lige efter Big Bang. Ved at spore partiklerne, der kommer fra ildkuglerne, forskere kan lære om kernefaseovergange - både smeltningen og hvordan kvarkerne og gluonerne "fryser ud", som de gjorde ved tidernes morgen, for at danne det synlige stof i nutidens verden.

"Vi vil forstå egenskaberne ved QGP, "sagde atomteoretikeren Raju Venugopalan, en af ​​forfatterne på det nye papir. "Vi ved ikke, hvordan disse ejendomme kan bruges, men for 100 år siden vi vidste ikke, hvordan vi ville bruge elektronernes kollektive egenskaber, som nu danner grundlaget for næsten alle vores teknologier. Dengang, elektroner var lige så eksotiske som kvarkerne og gluonerne er nu. "

Ændring af faser

RHIC -fysikere mener, at to forskellige former for faseændringer kan forvandle den varme QGP til almindelige protoner og neutroner. Vigtigere, de formoder, at ændringstypen afhænger af kollisionsenergien, som bestemmer de genererede temperaturer, og hvor mange partikler der bliver fanget i ildkuglen. Dette ligner den måde, hvorpå vandets frysepunkt og kogepunkter kan ændre sig under forskellige temperaturforhold og tætheden af ​​vandmolekyler, Venugopalan forklarede.

Ved RHIC -kollisioner med lav energi, forskere formoder, at mens ændringen i fase fra QGP til almindelige protoner/neutroner sker, både forskellige tilstande (QGP og almindeligt nukleart stof) sameksisterer - ligesom bobler af damp og flydende vand sameksisterer ved samme temperatur i en gryde med kogende vand. Det er som om kvarkerne og gluonerne (eller flydende vandmolekyler) skal stoppe ved den temperatur og betale en vejafgift, før de kan få den energi, der er nødvendig for at slippe ud som QGP (eller damp).

I modsætning, ved større energikollisioner, der er ingen betalingsport ved overgangstemperaturen, hvor kvarker og gluoner skal "stoppe". I stedet bevæger de sig på en kontinuerlig vej mellem de to faser.

Men hvad sker der mellem disse lavenergi- og højenergirige? At finde ud af det er nu et af hovedmålene for det, der er kendt som "stråleenergiscanningen" hos RHIC. Ved systematisk at kollidere kerner med en lang række energier, fysikere i RHIC's STAR-samarbejde søger efter beviser for et særligt punkt på deres kort over disse nukleare faser og overgangene mellem dem - det nukleare fasediagram.

På dette såkaldte "kritiske punkt, "der ville være et betalingsstop, men prisen ville være $ 0, så kvarkerne og gluonerne hurtigt kunne overgå fra protoner og neutroner til QGP - næsten som om alt vandet i gryden blev til damp på et enkelt øjeblik. Dette kan faktisk ske, når vand når sit kogepunkt under højt tryk, hvor forskellen mellem den flydende og den komprimerede gasfase udviskes til det punkt, hvor de to praktisk talt ikke kan skelnes. I tilfælde af QGP, fysikerne ville forvente at se tegn på denne dramatiske effekt - mønstre i udsving i partikler, der blev observeret i deres detektorer - jo tættere og tættere de kommer på dette kritiske punkt.

I eksperimenter, der allerede er udført på de mellemliggende energier, STAR -fysikere har observeret sådanne mønstre, hvilket kan være tegn på det hypotetiserede kritiske punkt. Denne søgning vil fortsætte med øget præcision over et bredere energiområde under en anden stråleenergiscanning, begynder i 2019. Det nye teoretiske arbejde fra Brookhaven -fysikeren Swagato Mukherjee, Venugopalan, og tidligere postdoc Yi Yin (nu på MIT) - del af et nyligt finansieret Beam Energy Scan Theory (BEST) Topical Collaboration in Nuclear Theory - vil give en køreplan til vejledning af eksperimentelle forskere.

Skilt til at kigge efter

Visse egenskaber ved de mønstre, der opstår under faseændringer, er universelle - uanset om du studerer vand, eller kvarker og gluoner, eller magneter. Men et vigtigt fremskridt i det nye teoriarbejde var at bruge et andet sæt universelle egenskaber til at redegøre for de dynamiske forhold i det ekspanderende kvark-gluonplasma.

"Alle forudsigelser, den måde vi begyndte at lede efter et kritisk punkt indtil nu, var baseret på mønstre beregnet under antagelse af, at du har en gryde, der koger på et komfur - et noget statisk system, "sagde Mukherjee." Men QGP ekspanderer og ændrer sig over tid. Det er mere som vand, der koger, da det flyder hurtigt gennem et rør. "

For at redegøre for de udviklende betingelser for QGP i deres beregninger, teoretikerne indarbejdede "dynamiske universaliteter", der først blev udviklet til at beskrive lignende mønsterdannelse i selve kosmologiske udvidelse af universet.

"Disse ideer er siden blevet anvendt på andre systemer som flydende helium og flydende krystaller, " sagde Venugopalan. "Yin indså, at de specifikke mekanismer for dynamisk universalitet identificeret i kosmologi og kondenseret stof systemer kan anvendes til at søge efter det kritiske punkt i tunge ionkollisioner. Dette papir er den første eksplicitte demonstration af denne formodning. "

Specifikt, papiret forudsiger præcis, hvilke mønstre der skal kigges efter i dataene - mønstre i hvordan egenskaberne af partikler, der udsendes fra kollisionerne, er korreleret - efterhånden som kollisionernes energi ændres.

"Hvis STAR -samarbejdet ser på dataene på en bestemt måde og ser disse mønstre, de kan uden tvetydighed hævde, at de har set et kritisk punkt, "Sagde Venugopalan.