Nye CERN-resultater viser nye fænomener i protonkollisioner

I et papir offentliggjort i dag i Naturfysik , ALICE-samarbejdet rapporterer, at protonkollisioner nogle gange præsenterer lignende mønstre som dem, der observeres i kollisioner af tunge kerner. Denne adfærd blev opdaget gennem observation af såkaldte mærkelige hadroner i visse protonkollisioner, hvor et stort antal partikler dannes. Mærkelige hadroner er velkendte partikler med navne som Kaon, Lambda, Xi og Omega, alle indeholdende mindst én såkaldt mærkelig kvark. Den observerede 'forbedrede produktion af mærkelige partikler' er et velkendt træk ved kvark-gluon plasma, en meget varm og tæt tilstand af stof, der eksisterede blot et par milliontedele af et sekund efter Big Bang, og er almindeligvis skabt i kollisioner af tunge kerner. Men det er første gang nogensinde, at et sådant fænomen entydigt observeres i de sjældne protonkollisioner, hvor mange partikler skabes. Dette resultat vil sandsynligvis udfordre eksisterende teoretiske modeller, der ikke forudsiger en stigning af mærkelige partikler i disse begivenheder.

"Vi er meget begejstrede for denne opdagelse, " sagde Federico Antinori, Talsmand for ALICE-samarbejdet. "Vi lærer igen meget om denne oprindelige tilstand af stof. At kunne isolere de kvark-gluon-plasma-lignende fænomener i et mindre og enklere system, såsom kollisionen mellem to protoner, åbner en helt ny dimension for studiet af egenskaberne ved den fundamentale tilstand, som vores univers opstod fra."

Studiet af kvark-gluon plasma giver en måde at undersøge egenskaberne ved stærk interaktion, en af ​​de fire kendte fundamentale kræfter, mens øget mærkværdighedsproduktion er en manifestation af denne materietilstand. Kvark-gluonplasmaet produceres ved tilstrækkelig høj temperatur og energitæthed, når almindeligt stof gennemgår en overgang til en fase, hvor kvarker og gluoner bliver 'frie' og dermed ikke længere er begrænset til hadroner. Disse forhold kan opnås ved Large Hadron Collider ved at kollidere tunge kerner ved høj energi. Mærkelige kvarker er tungere end kvarkerne, der består af normalt stof, og typisk sværere at producere. Men dette ændrer sig ved tilstedeværelse af den høje energitæthed af kvark-gluonplasmaet, som rebalancerer skabelsen af ​​mærkelige kvarker i forhold til ikke-mærkelige. Dette fænomen kan nu også være blevet observeret inden for protonkollisioner.

I særdeleshed, de nye resultater viser, at produktionshastigheden af ​​disse mærkelige hadroner stiger med 'mangfoldigheden' – antallet af partikler produceret i en given kollision – hurtigere end for andre partikler genereret i samme kollision. Selvom protonens struktur ikke inkluderer mærkelige kvarker, data viser også, at jo højere antallet af mærkelige kvarker er indeholdt i den inducerede hadron, jo stærkere er stigningen i dens produktionshastighed. Ingen afhængighed af kollisionsenergien eller massen af ​​de genererede partikler observeres, demonstrerer, at det observerede fænomen er relateret til det mærkelige kvarkindhold i de producerede partikler. Mærkelighedsproduktion bestemmes i praksis ved at tælle antallet af mærkelige partikler produceret i en given kollision, og beregning af forholdet mellem mærkelige og ikke-mærkelige partikler.

Forbedret mærkværdighedsproduktion var blevet foreslået som en mulig konsekvens af kvark-gluon-plasmadannelse siden begyndelsen af ​​firserne, og opdaget i kollisioner af kerner i halvfemserne ved eksperimenter på CERNs Super Proton Synchrotron. En anden mulig konsekvens af kvarkgluonplasmadannelsen er en rumlig korrelation af sluttilstandspartiklerne, forårsager en tydelig præferenceopretning med formen af ​​en højderyg. Efter dets påvisning i kollisioner med tunge kerner, højderyggen er også blevet set i høj-multiplicity protonkollisioner ved Large Hadron Collider, giver den første indikation af, at protonkollisioner kunne præsentere tunge kernelignende egenskaber. At studere disse processer mere præcist vil være nøglen til bedre at forstå de mikroskopiske mekanismer af kvark-gluon-plasmaet og den kollektive opførsel af partikler i små systemer.

ALICE-eksperimentet er designet til at studere kollisioner af tunge kerner. Den studerer også proton-proton-kollisioner, som primært giver referencedata for de tunge kernekollisioner. De rapporterede målinger er udført med 7 TeV protonkollisionsdata fra LHC kørsel 1.