Ildstriber bliver stadig mere virkelige i kollisioner mellem atomkerner og protoner

Kollisioner af blykerner finder sted under ekstreme fysiske forhold. Deres forløb kan beskrives ved hjælp af en model, der antager, at transformation, ekstremt varmt stof - kvark-gluon-plasmaet - flyder i form af hundredvis af striber. Indtil nu, "ildstriberne" så ud til at være rent teoretiske strukturer. Imidlertid, den seneste analyse af kollisioner af individuelle protoner forstærker hypotesen om, at de repræsenterer et reelt fysisk fænomen.

I 2017 fysikere fra Institute of Nuclear Physics ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow præsenterede en model af de fænomener, der opstår under kollisioner af blykerner ved høje energier, som fangede fantasien. Modellen antog, at det eksotiske stof, der opstod i kollisionerne, kvark-gluon plasma, bevæger sig væk fra anslagspunktet i form af talrige striber, der strækker sig langs kernernes oprindelige bevægelsesretning. Disse striber bevæger sig hurtigere, jo længere væk de er fra kollisionsaksen. Nu har forskerne anvendt "ildstriber"-modellen til meget enklere proton-proton-kollisioner. Da de sammenlignede deres forudsigelser med de data, der blev indsamlet i eksperimenterne på CERNs europæiske nukleare forskningscenter, de var ret overraskede.

Blykerner indeholder over to hundrede protoner og neutroner. Når to så store objekter kolliderer med en tilstrækkelig stor energi, opstår en flydende blanding af kvarker og gluoner (partikler, der under normale forhold klumper kvarker til protoner og neutroner). Kvark-gluon-plasmaet udvider sig hurtigt og afkøles samtidigt. Som resultat, den eksisterer så kort og i et så lille rumområde (kun hundrede af milliontedele af en milliardtedel af en meter), at vi ikke direkte kan observere det. Ud over, vekselvirkningerne mellem plasmapartiklerne er domineret af stærke kræfter, som er så komplekse, at moderne fysik simpelthen ikke er i stand til at beskrive dem kvantitativt. Spor af kvark-gluon plasma kan kun ses indirekte, i partikler, der kommer fra kollisionsstedet. Teori forudser, at hvis kvark-gluon plasma faktisk produceres, detektorer bør registrere et klart større antal mærkelige partikler (dvs. dem, der indeholder mærkelige kvarker).

"Proton-proton-kollisionerne i CERN-acceleratorerne producerer få mærkelige partikler. Det er således almindeligt accepteret, at kvark-gluon-plasmaet ikke opstår under disse kollisioner. Det har vi taget højde for i vores model af brandstriber, og så konfronterede vi dens forudsigelser med data fra NA49-eksperimentet ved SPS-acceleratoren. Overholdelsen var slående god. Så vi kan sige, at vi nu har 'set' en brandstribe under kvalitativt forskellige fysiske forhold, hvor vi slet ikke havde forventet det!" forklarer Dr. Andrzej Rybicki (IFJ PAN), en af ​​forfatterne til publikationen i Fysisk gennemgang C .

"Vi var nødt til at modellere sammenstødet af to blykerner som en kombination af flere hundrede brandstriber. Under disse forhold er det svært at udtale sig om egenskaberne ved en enkelt streg. da vi udtog hurtighedsfordelingen fra modellen, dvs. den relativistiske hastighed af partiklerne produceret af en enkelt streg, det viste sig, at dens form beskriver de virkelige data fra partikelproduktionsmålinger i proton-proton-kollisioner meget godt, " uddyber Mirek Kielbowicz, Ph.D. studerende ved IFJ PAN.

For at få graferne opnået ved brug af brandstribemodellen konstrueret til kollisioner af blykerner i overensstemmelse med de eksperimentelle data for proton-proton-kollisioner, de skulle skaleres med en faktor på 0,748. Krakow-forskerne viste, at denne parameter ikke er gratis. Faktisk, det fremgår af beregningerne efter at have taget højde for ændringer i energibalancen forårsaget af varierende produktion af mærkelige partikler og kan gengives ud fra eksperimentelle data. Dette var endnu et stærkt argument, der understøttede modellens fysiske rigtighed.

"Jeg arbejder på brandstribemodellen som en del af mit kandidatspeciale, så det overraskede mig ikke, at den beskriver data fra kerne-kernekollisioner over et stort energiområde. Imidlertid, da jeg så, at fragmenteringsfunktionen udtrukket af os stemmer så godt overens med dataene fra proton-proton-kollisioner, det var svært at skjule min forundring, " husker Lukasz Rozplochowski, en studerende ved Jagiellonian University, der arbejder med det videnskabelige team fra IFJ PAN.

Stoffet, der opstår ved proton-proton-kollisioner, køligere og kvalitativt anderledes end kvark-gluon plasma, ser derfor ud til at opføre sig som en enkelt ildstribe. Nogle af dens egenskaber - såsom hastigheden af ​​de udsendte partikler eller deres henfald - er af en eller anden grund forbløffende ens egenskaberne af ildstriberne fra kvark-gluonplasma. Og da kvark-gluonplasmaet dannes ved højere energier og ved kollisioner af kvanteobjekter af større kompleksitet, det bliver legitimt at sige, at det arver nogle af de træk ved stof, der danner ildstriber ved proton-proton-kollisioner.

"Da vi beskrev kerne-kernekollisioner, ildstriber var for os kun abstrakte strukturer, noget rent teoretisk. Vi dykkede ikke ned i deres fysiske natur, ind i, hvad de kunne være i virkeligheden. Vi oplevede et reelt chok, da vi kombinerede eksperimentelle data med vores model, vi opdagede, at det, der opstår i proton-proton-kollisioner, opfører sig nøjagtigt som vores enkelte brandstribe, " opsummerer Dr. Rybicki.

Resultaterne af den seneste analyse, udført af Krakow-fysikerne under SONATA BIS-bevillingen nr. 2014/14 / E / ST2 / 00018 af National Science Center i Polen, forstærke således antagelsen om, at ild striber, ifølge teorien dannet både i proton-proton- og kerne-kerne-kollisioner, skyldes virkelige fysiske processer, der forekommer i strømningsstrømmene af ekstremt varmt kvantestof.