Mulige beviser for små, kortvarige dråber af tidligt univers kvark-gluonplasma

Partikler, der stammer fra selv de laveste energikollisioner mellem små deuteroner med store tunge kerner ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - et amerikansk ministerium for energikontor for videnskab, brugerfacilitet til atomfysikforskning ved DOE's Brookhaven National Laboratory - udviser adfærd, forskere forbinder med dannelsen af ​​en suppe af kvarker og gluoner, de grundlæggende byggesten i næsten alt synligt stof. Disse resultater fra RHIC's PHENIX-eksperiment tyder på, at disse småkollisioner kan producere små, kortvarige stofstumper, der efterligner, hvordan det tidlige univers var for næsten 14 milliarder år siden, lige efter Big Bang.

Forskere byggede RHIC, for en stor del, at skabe dette "kvark-gluonplasma" (QGP), så de kunne studere dets egenskaber og lære, hvordan naturens stærkeste kraft bringer kvarker og gluoner sammen for at danne protoner, neutroner, og atomer, der udgør det synlige univers i dag. Men de forventede oprindeligt kun at se tegn på QGP ved meget energiske kollisioner mellem to tunge ioner, såsom guld. De nye fund-korrelationer i den måde, partikler kommer frem fra kollisionerne, der er i overensstemmelse med, hvad fysikere har observeret i de mere energiske kollisioner med store ioner-tilføjer et voksende bevismateriale fra RHIC og Europas Large Hadron Collider (LHC) om, at QGP kan også oprettes i mindre systemer.

PHENIX -samarbejdet har forelagt resultaterne i to separate papirer til tidsskrifterne Fysisk gennemgangsbreve og fysisk gennemgang C, og vil præsentere disse resultater på et møde i Krakow, Polen i denne uge.

"Dette er de første papirer, der kommer ud af 2016-deuteron-guldkollisionerne, og dette er en indikation på, at vi sandsynligvis skaber QGP i små systemer, "sagde Julia Velkovska, en stedfortræder for PHENIX fra Vanderbilt University. "Men der er andre ting, vi har set i de større systemer, som vi endnu ikke har undersøgt i disse nye data. Vi vil lede efter andre tegn på QGP i de små systemer ved hjælp af forskellige måder til at studere egenskaberne af det system, vi skaber, " hun sagde.

Kollektivt flow

Et af de tidligste tegn på, at RHICs kollisioner mellem to guldioner skabte QGP, kom i form af "kollektiv strømning" af partikler. Flere partikler opstod fra "ækvator" af to semi-overlappende kolliderende ioner end vinkelret på kollisionsretningen. Dette elliptiske flowmønster, forskere mener, er forårsaget af partiklers interaktion med den næsten "perfekte"-hvilket betyder fritflydende-væskelignende QGP, der er skabt i kollisionerne. Siden da, kollisioner af mindre partikler med tunge ioner har resulteret i lignende strømningsmønstre ved både RHIC og LHC, om end i mindre skala. Der har også været tegn på, at strømningsmønstre har et stærkt forhold til den geometriske form af projektilpartiklen, der kolliderer med den større kerne.

"Med disse resultater i hånden, vi ville prøve mindre og mindre systemer med forskellige energier, "Sagde Velkovska." Hvis du ændrer energien, du kan ændre den tid, hvor systemet forbliver i væskefasen, og måske få det til at forsvinde. "

Med andre ord, de ville se, om de kunne slå oprettelsen af ​​QGP fra.

"Efter så mange år har vi lært, at når QGP skabes i kollisionerne, ved vi, hvordan vi skal genkende det, men det betyder ikke, at vi virkelig forstår, hvordan det fungerer, "Velkovska sagde." Vi forsøger at forstå, hvordan den perfekt-flydende adfærd opstår og udvikler sig. Hvad vi gør nu - går ned i energi, at ændre størrelsen - er et forsøg på at lære, hvordan denne adfærd opstår under forskellige forhold. RHIC er den eneste kollider i verden, der tillader en sådan række undersøgelser af forskellige kollisionsenergier med forskellige kolliderende partikler. "

Turing ned energien

Over en periode på cirka fem uger i 2016, PHENIX -teamet undersøgte kollisioner af deuteroner (lavet af en proton og en neutron) med guldioner ved fire forskellige energier (200, 62.4, 39, og 19,6 milliarder elektronvolt, eller GeV).

"Takket være RHIC's alsidighed og personalets evne i Brookhavens Collider-Accelerator-afdeling til hurtigt at skifte og justere maskinen til forskellige kollisionsenergier, PHENIX var i stand til at registrere mere end 1,5 milliarder kollisioner i denne korte periode, "Sagde Velkovska.

For papiret indsendt til Kina, Darren McGlinchey, en PHENIX -samarbejdspartner fra Los Alamos National Laboratory, førte en analyse af, hvordan partikler opstod langs kollisionernes elliptiske plan som en funktion af deres momentum, hvor centrale (fuldstændig overlappende) kollisionerne var, og hvor mange partikler der blev produceret.

"Brug af et deuteron -projektil giver en meget elliptisk form, og vi observerede en vedholdenhed af den indledende geometri i de partikler, vi opdager, selv ved lav energi, "Sagde McGlinchey. Sådan formbestandighed kan skyldes interaktion med en QGP, der er skabt i disse kollisioner." Dette resultat er ikke tilstrækkeligt bevis for at erklære, at QGP eksisterer, men det er et bevis for det, " han sagde.

Ron Belmont, en PHENIX -samarbejdspartner fra University of Colorado, førte en analyse af, hvordan flowmønstrene for flere partikler (to og fire partikler ved hver energi og seks ved den højeste energi) var korreleret. Disse resultater blev forelagt PRL.

"Vi fandt et meget lignende mønster i både to- og firpartikelkorrelationer for alle de forskellige energier, og i seks-partikelkorrelationer også med den højeste energi, "Sagde Belmont.

"Begge resultater er konsistente, at partikelstrøm observeres ned til laveste energi. Så de to papirer arbejder sammen for at tegne et flot billede, " han tilføjede.

Der er andre mulige forklaringer på fundene, herunder den postulerede eksistens af en anden form for stof kendt som farveglas -kondensat, der menes at være domineret af tilstedeværelsen af ​​gluoner i hjertet af alt synligt stof.

"For at skelne farveglas kondensat fra QGP, vi har brug for mere detaljerede teoretiske beskrivelser af, hvordan disse ting ser ud, "Sagde Belmont.

Velkovska bemærkede, at mange nye studerende er blevet rekrutteret til at fortsætte analysen af ​​eksisterende data fra PHENIX -eksperimentet, som stoppede med at tage data efter 2016 -kørslen for at gøre plads til en fornyet detektor kendt som sPHENIX.

"Der er meget mere at komme fra PHENIX, " hun sagde.