Proton-kerner smashups giver spor om kvarkgluonplasma

Resultater fra fysikere fra Rice University, der arbejder ved Europas Large Hadron Collider (LHC), giver ny indsigt om en eksotisk tilstand af materie kaldet "kvark-gluonplasma", der opstår, når protoner og neutroner smelter.

Som den mest kraftfulde partikelaccelerator på jorden, LHC er i stand til at smadre atomkerner sammen med næsten lysets hastighed. Energien frigivet i disse kollisioner er enorm og giver fysikere mulighed for at genskabe den varme, tætte forhold, der eksisterede i det tidlige univers. Quark-gluon plasma, eller QGP, er en højenergisuppe af partikler, der dannes, når protoner og neutroner smelter ved temperaturer, der nærmer sig flere billioner kelvin.

I en nylig artikel i Fysisk gennemgangsbreve skrevet på vegne af mere end 2, 000 forskere, der arbejder med LHC's Compact Muon Solenoid (CMS) eksperiment, Risfysikere Wei Li og Zhoudunming (Kong) Tu foreslog en ny tilgang til at studere en karakteristisk magnetisk egenskab ved QGP kaldet "kiral magnetisk effekt" (CME). Deres tilgang anvender kollisioner mellem protoner og blykerner. CME er et elektromagnetisk fænomen, der opstår som en konsekvens af kvantemekanik og også er relateret til såkaldte topologiske faser af stof, et område med kondenseret fysik, der har tiltrukket sig større opmærksomhed på verdensplan siden indsamlingen af ​​Nobelprisen i fysik i 2016.

"At finde beviser for den kirale magnetiske effekt og dermed topologiske faser i varmt QGP-materiale har i et stykke tid været et stort mål inden for højenergi-atomfysik, "Sagde Li." Tidlige fund, selvom det er vejledende for CME, stadig uafklarende, hovedsageligt på grund af andre baggrundsprocesser, der er vanskelige at kontrollere og kvantificere. "

QGP blev først produceret omkring 2000 ved Relativistic Heavy Ion Collider i New York og senere på LHC i 2010. I disse forsøg, fysikere smadrede to hurtigtgående blykerner sammen, hver indeholder 82 protoner og 126 neutroner, de to byggesten i alle atomkerner. Fordi de smeltende protoner i disse kollisioner hver bærer en positiv elektrisk ladning, QGP'erne fra disse forsøg indeholdt enormt stærke magnetfelter, der skønnes at være omkring en billion gange stærkere end det stærkeste magnetfelt, der nogensinde er skabt i et laboratorium.

Den chirale magnetiske effekt er en eksotisk asymmetrisk elektromagnetisk effekt, der kun opstår på grund af kombinationen af ​​kvantemekanik og de ekstreme fysiske forhold i en QGP. Lovene i klassisk elektrodynamik ville forbyde eksistensen af ​​en sådan stat, og faktisk, Li's inspiration til de nye eksperimenter opstod ved at tænke på problemet i klassiske termer.

"Jeg blev inspireret af et problem på et bachelor -kursus, jeg underviste i klassisk elektrodynamik, "Sagde Li.

For to år siden opdagede Li, at frontale kollisioner ved LHC mellem en blykerne og en enkelt proton skabte små mængder partikler, der syntes at opføre sig som en væske. Ved nærmere analyse, han og kolleger på CMS fandt ud af, at kollisionerne skabte små mængder QGP.

I en Rice News -rapport fra 2015 om opdagelsen, Risalumnus Don Lincoln, en partikelfysiker og fysikkommunikator på Fermilab, skrev, "Dette resultat var overraskende, fordi når protonen rammer hovedkernen, det slår et hul gennem store dele af kernen, som at skyde et gevær mod en vandmelon (i modsætning til at kollidere to blykerner, hvilket er som at smække to vandmeloner sammen). "

Li sagde, "En usædvanlig ting ved dråberne af QGP, der er skabt ved proton-bly-kollisioner, er konfigurationen af ​​deres magnetfelter. QGP'en dannes nær midten af ​​den indledende blykerne, hvilket gør det let at fortælle, at styrken af ​​magnetfeltet er ret ubetydelig i sammenligning med QGP skabt ved bly-bly-kollisioner. Som resultat, proton-bly-kollisioner giver os et middel til at slukke magnetfeltet-og CME-signalet-i en QGP på en velkontrolleret måde. "

I det nye papir, Li, Tu og deres CMS-kolleger viste beviser fra proton-bly-kollisionsdata, der hjælper med at kaste lys over den elektromagnetiske adfærd, der opstår fra den chirale magnetiske effekt i bly-bly-QGP'er.

Li sagde, at flere detaljer stadig skal udarbejdes, før der kan drages en endelig konklusion, men han sagde, at resultaterne lover godt for fremtidige QGP -opdagelser på LHC.

"Dette er kun et første skridt i en ny avenue, der åbnes af proton-kernekollisioner til søgning efter eksotiske topologiske faser i QGP, "Sagde Li." Vi arbejder hårdt på at akkumulere flere data og udføre en række nye undersøgelser. Forhåbentlig, i de kommende år, vi vil se det første direkte bevis for den kirale magnetiske effekt. "