Egenskaber ved subatomær suppe, der efterligner det tidlige univers

Ved at drille signaturer af partikler ud, der henfalder kun tiendedele af en millimeter fra midten af ​​en billioner graders ildkugle, der efterligner det tidlige univers, atomfysikere, der smadrer atomer ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), afslører nye detaljer om de grundlæggende partikler, der udgør vores verden.

Partikelkollisioner ved RHIC-et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility placeret på DOE's Brookhaven National Laboratory-genskaber regelmæssigt små specifikationer for kvark-gluonplasma (QGP), en blanding af kvarker og gluoner, de grundlæggende byggesten i synligt stof, som sidst eksisterede som frie partikler for omkring 14 milliarder år siden. Kollisionerne frigør kvarkerne og gluonerne fra deres indeslutning i almindelige partikler (f.eks. protoner og neutroner), så atomfysikere kan studere deres interaktioner og den kraft, der holder dem sammen i universet i dag.

De nye målinger, beskrevet i et papir, der netop er offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , er de første, der kommer fra en præcisionsopgradering til RHICs STAR -detektor kendt som "Heavy Flavor Tracker" (HFT). Specifikt, papiret giver detaljer om den første direkte måling på RHIC af, hvordan en type tung partikel indeholdende en "charme" kvark bliver fanget i strømmen af ​​den ekspanderende ildkugle. Denne måling - et bevis på HFT's muligheder - giver forskere et nyt vindue til at forstå interaktionerne mellem partiklerne, der udgør den subatomære suppe.

"Ved at sammenligne vores målinger med teoretiske forudsigelser, der omfatter de forskellige parametre, der spiller en rolle i disse interaktioner - ting som diffusionskoefficienten (hvor hurtigt charmequarkerne spredes gennem plasmaet) og viskositet (hvor klæbrig QGP er) - kan vi lære om hvordan disse forskellige egenskaber forholder sig til hinanden, og i sidste ende hvorfor QGP opfører sig som den gør, "sagde Brookhaven -fysikeren Flemming Videbaek, projektlederen ansvarlig for den overordnede fremstilling af STAR HFT.

Sporing af præcisionspartikler

Partikler, der indeholder tunge kvarker, betragtes som ideelle prober til forståelse af kvark-gluonplasma, fordi de kan interagere anderledes med plasmaet end lette kvarker gør, giver subtile spor om dets egenskaber. Men QGP spytter kun sjældent partikler, der indeholder tunge kvarker ud, midt i tusinder af andre partikler lavet af de lettere kvarkvarianter. De få tunge partikler, der kommer frem, forfalder næsten øjeblikkeligt til andre partikler - kun brøkdele af en millimeter fra QGP -ildkuglen, hvor de blev skabt. Denne sjældenhed og hurtige forfald gør tunge partikler vanskelige at opdage.

STAR's HFT, en state-of-the-art sporingsenhed, der nu sidder i midten af ​​detektoren i husstørrelse, blev designet til at spore de undvigende, men vigtige tunge partikler. Udviklet af atomfysikere ved Lawrence Berkeley National Laboratory, HFT er den første siliciumdetektor ved en kollider, der bruger Monolithic Active Pixel Sensor -teknologi - den samme teknologi, der bruges i digitale kameraer. De ultratynde sensorer - i modsætning til mange af partikeldetekteringskomponenterne i STAR - sidder meget tæt på det centrale strålerør, hvor kollisionerne finder sted. Selvom det ikke var helt tæt nok til at opdage selve den tunge charmekvark, denne placering og detektorens høje opløsning (360 millioner pixels, der måler 20 x 20 mikron hver) gør det muligt at opfange tegn på de tunge partiklers forfald.

Til denne særlige undersøgelse, STAR-fysikere fulgte partikler kaldet kaoner og pioner, der dukker op, når charme-kvarkholdige partikler kendt som et D-nul forfalder. En samlet indsats fra mange grupper af samarbejdet - herunder forskere fra Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Kent State University, og University of Illinois i Chicago - gjorde denne analyse vellykket på kort tid.

"Vi bruger HFT til at lede efter kaoner og pioner, der er meget tæt på hinanden - inden for brøkdele af en millimeter af hinanden - hvis stier fra kollisionen kommer fra et enkelt punkt, der er væk fra kollisionspunktet, men ikke særlig langt, omkring 100-500 mikron, "Sagde Videbaek. Det er den afstand, D0s kører, før de forfalder, forklarede han. Hvis kaon og pion har den helt rigtige masse og baner, der kommer fra et sådant punkt, forskerne kan konkludere, at de stammer fra en D0 på det sted - og bruge disse målinger til at spore fremkomsten af ​​D0'er fra hele QGP.

"Præcisionen i vores måling er uden fortilfælde, "sagde Xin Dong, en fysiker ved Berkeley Lab, der ledede postdocs og studerende, der gennemførte fysikanalysen af ​​de tunge smagsresultater. "Det var ekstremt udfordrende på grund af interferens fra tusinder af andre partikler, der blev produceret i de samme tunge ionkollisioner - lidt som at plukke en nål ud af en høstak."

Fritflydende interaktioner

Resultaterne - baseret på en analyse af titusinder af sådanne "nåle" i 1,1 milliarder kollisioner - var noget overraskende.

Tænk på den form, der skabes, når to sfæriske guldioner kolliderer fra midten og danner et aflangt overlap - noget som en fodbold, der står for enden. STAR -fysikere fandt flere D0'er, der stammer fra den fede del af "fodbolden" end fra dens spidse ender. Dette mønster af "elliptisk strømning" var kendt fra målinger af lettere partikler, der stammer fra QGP. Men atomfysikere forventede i første omgang ikke, at sådanne tunge partikler skulle blive fanget i strømmen.

"D0'er skabes i den allerførste del af kollisionen, når kvarkerne og gluonerne er frie, "Videbaek sagde." Fysikere troede ikke, at disse tunge kvarkpartikler ville have tid til at interagere, eller ækvilibrer, med QGP, som kun eksisterer i en uendelig lille brøkdel af et sekund. "

I stedet, det faktum, at de tunge kvarker udviser den samme elliptiske strøm som lettere partikler gør, er bevis på, at de er i ligevægt, interagerer med de frie kvarker og gluoner i QGP.

"Den type strøm, vi observerede for partikler med tunge kvarker, tyder på, at deres interaktioner inde i kvark-gluonplasmaet er så stærke, at de tunge kvarker selv bliver en del af kvark-gluonsuppen, sagde Dong.

Grazyna Odyniec, leder af Berkeley Labs program for relativistiske atomkollisioner, tilføjet, "Opdagelsen af ​​elliptisk strømning af en meget massiv charmekvark er af grundlæggende betydning for vores forståelse af kvark-gluonplasmafasedynamik. Det åbner en bred vifte af teoretiske spekulationer om arten af ​​en mulig mekanisme (eller mekanismer) bag dette observation."

Brookhaven Lab -fysiker og talsmand for STAR -samarbejde, Zhangbu Xu, bemærkede, at evnen til at spore strømning og diffusion af de tunge partikler giver atomfysikere en ny måde at "se" og studere interaktionerne mellem de frit bevægelige kvarker og gluoner og andre egenskaber ved QGP - lidt analogt med den måde forskere fra forrige århundrede sporede vibrationer fra pollenkorn i vand for at lære om dets egenskaber.

"Einstein beviste i 1905, at der findes atomer og molekyler, og at vi kunne bruge den såkaldte browniske bevægelse af pollenkorn til at måle væskens egenskaber og andre grundlæggende fysikkonstanter, "Sagde Xu." Nu kan vi bruge charmekvarkerne som pollenkornene til at måle strømmen og andre egenskaber ved QGP. "