Sporingspartikler, der indeholder charmekvarker, giver indsigt i, hvordan kvarker kombineres

Kernefysikere forsøger at forstå, hvordan partikler kaldet kvarker og gluoner kombineres til dannelse af hadroner, sammensatte partikler lavet af to eller tre kvarker. For at studere denne proces, kaldet hadronisering, et team af atomfysikere brugte STAR-detektoren ved Relativistic Heavy Ion Collider- et amerikansk Department of Energy Office of Science brugerfacilitet til atomfysikforskning ved DOE's Brookhaven National Laboratory- til at måle den relative overflod af visse hadroner med to og tre kvarker skabt i energiske kollisioner af guldkerner. Kollisionerne "smelter" kortvarigt grænserne mellem de enkelte protoner og neutroner, der udgør guldkernerne, så forskere kan studere, hvordan deres indre byggesten, kvarkerne og gluonerne, rekombiner.

STAR -fysikerne undersøgte partikler indeholdende tunge "charme" -kvarker, som er lettere at spore end lettere partikler, for at se, hvordan målingerne matchede forudsigelser fra forskellige forklaringer på hadronisering. Målingerne, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , afslørede mange flere trekvark-hadroner, end man ville have forventet ved en almindeligt accepteret forklaring på hadronisering kendt som fragmentering. Resultaterne tyder på, at i stedet, kvarker i den tætte partikelsuppe, der er skabt ved RHIC, rekombineres mere direkte gennem en mekanisme kendt som koalescens.

"Hadroner lavet af to eller tre kvarker er byggestenene i det synlige stof i vores verden - inklusive protoner og neutroner, der udgør atomkerner. Men vi ser aldrig deres indre byggesten - kvarkerne og gluonerne - som frie objekter, fordi kvarker er altid 'begrænset' i sammensatte partikler, "sagde Xin Dong, en fysiker ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) og leder af denne analyse for STAR Collaboration.

RHICs tunge ionkollisioner skaber en tilstand, der kaldes kvark-gluonplasma (QGP), en varm partikelsuppe, der efterligner, hvordan det tidlige univers var, hvor kvarker "dekonfineres, "eller frigives, fra deres almindelige grænser inden for sammensatte partikler kaldet hadroner.

"Ved at spore partiklerne, der strømmer ud af RHIC's kollisioner, kan vi undersøge mekanismen for hadronisering og hvordan den stærke atomkraft holder kvarker begrænset til almindeligt stof, "sagde Helen Caines, en professor ved Yale University og medordfører for STAR Collaboration.

STAR-fysikerne målte charmerede hadroner (hadroner indeholdende tunge "charme" -kvarker) ved hjælp af højopløselig Heavy Flavor Tracker (HFT) installeret i midten af ​​det 4 meter brede Time Projection Chamber i RHIC's STAR-detektor.

"HFT 'zoomer ind' på partikler som den trekvark charmerede lambda, der henfalder mindre end 0,1 millimeter fra kollisionens centrum, "sagde Brookhaven Lab -fysikeren Flemming Videbaek, projektlederen STAR HFT.

Ved at kombinere "hits" i HFT med målinger af henfaldsprodukter længere ude i STAR -detektoren, fysikere kan tælle op, hvor mange trekvarks charmerede lambdaer vs. tokvark charmerede "D-zero" (D0) partikler, der kommer fra QGP.

"Vi brugte en overvåget maskinindlæringsteknik til at undertrykke den store baggrund for påvisning af charmerede lambda -partikler, "sagde Sooraj Radhakrishnann, en postdoktor fra Kent State University og Berkeley Lab, der gennemførte hovedanalysen.

Resultaterne fra STAR tællede charmerede lambdas og D0 -partikler i næsten lige mange. Det var langt mere charmerede lambdas, end der var blevet forudsagt af en vel accepteret mekanisme for hadronisering kendt som fragmentering.

"Fragmentering beskriver præcist mange eksperimentelle resultater fra partikelfysiske eksperimenter med høj energi, "Sagde Dong. Mekanismen indebærer, at energiske kvarker eller gluoner" spænder "vakuumet og" splitter "for at danne kvark-antikvarpar. Efterhånden som opdelingsprocessen skrider frem, det skaber en rig pool af kvarker og antikvarker, der kan kombineres til at danne to- og trekvark-hadroner, forklarede han.

Men fragmenteringsforklaringen forudsiger, at færre charmerede lambda -partikler end D0 -partikler skulle opstå fra tunge ionkollisioner i momentumområdet målt ved RHIC. STAR's observation af "charmed baryon enhancement" (hvilket resulterer i næsten lige mange charmerede lambda- og D0 -partikler) understøtter en alternativ mekanisme til hadronisering. Kendt som koalescens, denne forklaring antyder, at tætheden af ​​RHICs QGP -partikelsuppe bringer kvarker i nær nok nærhed til, at de kan rekombineres direkte til sammensatte partikler.

"STAR-resultaterne tyder på, at koalescens spiller en vigtig rolle i charmekvark-hadronisering ved kraftige ionkollisioner, i det mindste i momentumområdet målt i dette eksperiment, "Sagde Dong.

Forståelse af koalescensmekanismen kan tilbyde nye indsigter, der hjælper med at afsløre, hvordan kvarker og gluoner bliver begrænset inden for hadroner for at opbygge strukturen af ​​atomkerner - kernen i sagen, der gør alt synligt i vores verden.