Genskaber Big Bang -materie på Jorden

Large Hadron Collider (LHC) ved CERN kolliderer normalt protoner sammen. Det er disse proton -proton -kollisioner, der førte til opdagelsen af ​​Higgs -bosonen i 2012. Men verdens største accelerator var også designet til at smadre tunge ioner sammen, primært kernerne af blyatomer, og det gør det hvert år i cirka en måned. Og af mindst to gode grunde. Først, kraftige ionkollisioner ved LHC genskaber i laboratorieforhold plasmaet af kvarker og gluoner, der menes at have eksisteret kort efter Big Bang. Sekund, kollisionerne kan bruges til at teste og studere, ved de højeste menneskeskabte temperaturer og tætheder, grundlæggende forudsigelser af kvantekromodynamik, teorien om den stærke kraft, der binder kvarker og gluoner sammen til protoner og neutroner og i sidste ende alle atomkerner.

LHC var ikke den første maskine til at genskabe Big Bang -sagen:tilbage i 2000, eksperimenter på Super Proton Synchrotron ved CERN fandt overbevisende beviser for kvark -gluonplasma. Omkring fem år senere, eksperimenter ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ved Brookhaven National Laboratory i USA startede en æra med detaljeret undersøgelse af kvark -gluonplasma. Imidlertid, i de 10 år siden det opnåede kollisioner ved højere energier end sine forgængere, LHC har taget undersøgelser af kvark -gluonplasma til utrolige nye højder. Ved at producere en varmere, tættere og længere levetid quark-gluonplasma samt et større antal og sortiment af partikler, som kan undersøge dets egenskaber og virkninger, LHC har givet fysikere mulighed for at studere kvark -gluonplasma med et hidtil uset detaljeringsniveau. Hvad mere er, maskinen har leveret nogle overraskende resultater undervejs, stimulering af nye teoretiske undersøgelser af denne tilstand.

"I den ultimative lærebog om teorien om det stærke samspil, kapitlet om kvark -gluonplasma vil blive fyldt med tal af LHC -data, "siger talsmand for ALICE -eksperimentet Luciano Musa.

"Disse tal udmærker sig i datapræcision og kinematisk rækkevidde, og de er de første til at informere os om, hvordan kvark-gluon plasmalignende egenskaber gradvist fremkommer, når man overgår fra proton-proton til kraftige ionkollisioner. "

Kraftigt kollisionsforløb

Når tunge kerner smadrer ind i hinanden i LHC, de hundredvis af protoner og neutroner, der udgør kernerne, frigiver en stor brøkdel af deres energi til et lille volumen, skaber en ildkugle af kvarker og gluoner. Disse små stykker kvark -gluonplasma findes kun i flygtige øjeblikke, med de enkelte kvarker og gluoner, samlet kendt som partoner, hurtigt danne sammensatte partikler og antipartikler, der flyver ud i alle retninger. Ved at studere zoo af partikler produceret i kollisionerne - før, under og efter plasmaet er skabt - forskere kan studere plasmaet fra det øjeblik det produceres, til det afkøles og giver plads til en tilstand, hvor sammensatte partikler kaldet hadroner kan dannes. Imidlertid, plasmaet kan ikke observeres direkte. Dens tilstedeværelse og egenskaber udledes af de eksperimentelle signaturer, den efterlader på partiklerne, der produceres i kollisionerne og deres sammenligning med teoretiske modeller.

Sådanne undersøgelser kan opdeles i to forskellige kategorier. Den første form for undersøgelse undersøger de tusinder af partikler, der stammer fra en kraftig kollision i fællesskab, giver information om det globale, makroskopiske egenskaber af kvark-gluonplasma. Den anden slags fokuserer på forskellige typer partikler med stor masse eller momentum, som produceres sjældnere og giver et vindue ind i det indre, mikroskopiske virkninger af mediet.

På LHC, disse undersøgelser udføres af samarbejderne bag alle fire vigtigste LHC -eksperimenter:ALICE, ATLAS, CMS og LHCb. Selvom ALICE oprindeligt var specielt designet til at undersøge kvark -gluonplasma, de tre andre forsøg har også siden tilsluttet sig denne undersøgelse.

Globale ejendomme

LHC har leveret data, der har gjort det muligt for forskere at udlede med højere præcision end tidligere opnået flere globale egenskaber af mediet.

"Hvis vi lytter til to forskellige musikinstrumenter med lukkede øjne, vi kan skelne mellem instrumenterne, selv når de spiller den samme tone. Årsagen er, at der med en note følger et sæt overtoner, der giver instrumentet en unik distinkt lyd. Dette er kun et eksempel på, hvor enkle, men kraftfulde overtoner der er til at identificere materialegenskaber. Heavy-ion-fysikere har lært, hvordan man gør brug af "overtoner" i deres undersøgelse af kvark-gluonplasma. Den indledende fase af en tung-ion-kollision producerer krusninger i plasmaet, der bevæger sig gennem mediet og ophidser overtoner. Sådanne overtoner kan måles ved at analysere den kollektive strøm af partikler, der flyver ud af plasmaet og når detektorerne. Mens tidligere målinger kun havde afsløret de første tegn på disse overtoner, LHC -eksperimenterne har kortlagt dem i detaljer. Kombineret med andre skridt i præcision, disse data er blevet brugt af teoretikere til at karakterisere plasmas egenskaber, såsom dens temperatur, energitæthed og friktionsmodstand, som er mindre end for enhver anden kendt væske, "forklarer Wiedemann.

Disse fund er derefter blevet understøttet på flere måder. For eksempel, ALICE -samarbejdet estimerede plasmaets temperatur ved at studere fotoner, der udsendes af den varme ildkugle. Den anslåede temperatur, omkring 300 MeV (1 MeV er cirka 10 ¹⁰ kelvin), er over den forudsagte temperatur, der er nødvendig for at plasmaet skal dannes (ca. 160 MeV), og er omkring 40% højere end den, der blev opnået af RHIC -kollideren.

Et andet eksempel er estimering af plasmaets energitæthed i den indledende fase af kollisionerne. ALICE og CMS opnåede en værdi i området 12 til 14 GeV pr. Kubikfemtometre (1 femtometre er 10 ^-15 meter), cirka to til tre gange højere end det bestemt af RHIC, og igen over den forudsagte energitæthed, der er nødvendig for plasmaets dannelse (ca. 1 GeV/fm ³ ).

LHC har leveret ikke bare flere partikler, men også mere varierede partikeltyper til at undersøge kvark -gluonplasmaet.

"LHC har givet os adgang til en meget bred palette af sonder, "siger ALICE fysikkoordinator Andrea Dainese.

"Sammen med state-of-the-art partikeldetektorer, der dækker mere område omkring kollisionspunkterne samt sofistikerede metoder til at identificere og spore partikler, denne brede palet har givet en hidtil uset indsigt i de indre virkninger og virkninger af kvark -gluonplasma. "

For at give et par eksempler, kort tid efter LHC startede, ATLAS og CMS foretog den første direkte observation af fænomenet jet -quenching, hvor stråler af partikler, der dannes i kollisionerne, mister energi, når de krydser kvark -gluonplasmamediet. Samarbejdene fandt en slående ubalance i energien fra jetfly, med en stråle næsten fuldstændigt absorberet af mediet.

Et andet eksempel vedrører tunge kvarker. Sådanne partikler er fremragende prober af kvark-gluonplasmaet, fordi de produceres i de indledende faser af en tung-ion-kollision og derfor oplever hele udviklingen af ​​plasmaet. ALICE -samarbejdet har for nylig vist, at tunge kvarker "mærker" formen og størrelsen af ​​kvark -gluonplasma, hvilket angiver, at selv de tungeste kvarker bevæger sig med mediet, som for det meste er lavet af lette kvarker og gluoner.

LHC -eksperimenterne, især ALICE og CMS, har også betydeligt forbedret vores forståelse af den hierarkiske "smeltning" i plasmaet af bundne tilstande af en tung kvark og dens antiquark, kaldet quarkonia. Jo mere svagt bundne staterne er, jo lettere vil de smelte, og som følge heraf er de mindre rigelige. CMS var den første til at observere denne såkaldte hierarkiske undertrykkelse for bottomoniumtilstande, som består af en bundkvark og dens antiquark. Og ALICE afslørede, at mens den mest almindelige form for charmonium angiver, som er sammensat af en charmekvark og dens antikvitet, er stærkt undertrykt på grund af virkningen af ​​plasmaet, det regenereres også ved rekombination af charmekvarker og antikvarker. Dette rekombinationsfænomen, observeret for første gang ved LHC, giver et vigtigt testgrundlag for teoretiske modeller og fænomenologi, som danner en forbindelse mellem de teoretiske modeller og eksperimentelle data.

Overraskelser i mindre systemer

LHC -data har også afsløret uventede resultater. For eksempel, ALICE -samarbejdet viste, at den øgede produktion af mærkelige hadroner (partikler indeholdende mindst en mærkelig kvark), som traditionelt ses som en signatur af kvark-gluonplasma, opstår gradvist i proton -proton og proton -bly kollisioner som antallet af partikler, der produceres i kollisionerne, eller "mangfoldighed", stiger.

Et andet eksempel herpå er den gradvise begyndelse af en flowlignende funktion med formen af ​​en højderyg med stigende mangfoldighed, som først blev observeret af CMS ved proton -proton og proton -bly kollisioner. Dette resultat blev yderligere understøttet af ALICE- og ATLAS-observationer af fremkomsten af ​​dobbeltryggede træk ved proton-bly-kollisioner.

"Opdagelsen af ​​tung-ion-lignende adfærd ved proton-proton og proton-kernekollisioner ved LHC er en game-changer, «siger Wiedemann.

"LHC-dataene har dræbt den langvarige opfattelse, at proton-proton-kollisioner producerer partikler med fri streaming, mens tung-ion-kollisioner producerer et fuldt udviklet kvark-gluonplasma. Og det fortæller vi det i de små proton-proton-kollisionssystemer der er flere fysiske mekanismer på arbejde, end man traditionelt troede. Den nye udfordring er at forstå, inden for teorien om den stærke kraft, hvordan kvark-gluon plasmalignende egenskaber gradvist fremkommer med størrelsen af ​​kollisionssystemet. "

Dette er blot eksempler på, hvordan 10 års LHC har stærkt avanceret fysikers viden om kvark -gluonplasma og dermed om det tidlige univers. Og med data fra maskinens andet løb, der stadig analyseres, og der kommer flere data fra det næste løb og High-Luminosity LHC, LHC's efterfølger, en endnu mere detaljeret forståelse af denne unikke tilstand af stof vil helt sikkert dukke op, måske med nye overraskelser i blandingen.

"Det kommende årti på LHC giver mange muligheder for yderligere udforskning af kvark -gluonplasma, "siger Musa." Den forventede tidobling i antallet af bly -bly -kollisioner bør både øge præcisionen af ​​målinger af kendte sonder i mediet og give os adgang til nye sonder. Ud over, vi planlægger at undersøge kollisioner mellem lettere kerner, som kunne kaste yderligere lys over mediets natur. "