Skabelse uden kontakt i kollisioner af bly og guldkerner

Når tunge ioner, accelereret til lysets hastighed, kolliderer med hinanden i dybet af europæiske eller amerikanske acceleratorer, kvark-gluon plasma dannes i brøkdele af et sekund, eller endda dens 'cocktail' krydret med andre partikler. Ifølge forskere fra IFJ PAN, eksperimentelle data viser, at der er undervurderede aktører på scenen:fotoner. Deres kollisioner fører til emission af tilsyneladende overskydende partikler, hvis tilstedeværelse ikke kunne forklares.

Quark-gluonplasma er uden tvivl den mest eksotiske tilstand af stof, vi hidtil har kendt. I LHC ved CERN nær Genève, det dannes under centrale kollisioner af to blyioner, der nærmer sig hinanden fra modsatte retninger, bevæger sig med hastigheder meget tæt på lysets. Denne kvark-gluon suppe er også nogle gange krydret med andre partikler. Desværre, den teoretiske beskrivelse af hændelsesforløbet, der involverer plasma og en cocktail af andre kilder, formår ikke at beskrive de data, der er indsamlet i eksperimenterne. I en artikel offentliggjort i Fysik bogstaver B , en gruppe videnskabsmænd fra Institute of Nuclear Physics ved det polske videnskabsakademi i Krakow forklarede årsagen til de observerede uoverensstemmelser. Data indsamlet under kollisioner af blykerner i LHC, såvel som under kollisioner af guldkerner i RHIC ved Brookhaven National Laboratory nær New York, begynde at stemme med teorien, når beskrivelsen af ​​processerne tager højde for kollisioner mellem fotoner, der omgiver begge interagerende ioner.

"Med et gran salt, man kan sige, at med tilstrækkelig høje energier, massive ioner kolliderer ikke kun med deres protoner og neutroner, men selv med deres fotonskyer, " siger Dr. Mariola Klusek-Gawenda (IFJ PAN) og præciserer straks:"Når vi beskrev kollisionen af ​​ioner i LHC, tog vi allerede højde for kollisioner mellem fotoner. Imidlertid, de vedrørte kun ultraperifere kollisioner, hvor ionerne ikke rammer hinanden, men går uændret forbi hinanden, kun interagerer med deres egne elektromagnetiske felter. Ingen troede, at fotonkollisioner kunne spille nogen rolle i voldsomme interaktioner, hvor protoner og neutroner smelter sammen til en kvark-gluonsuppe."

Under forhold kendt fra hverdagen, fotoner kolliderer ikke med hinanden. Imidlertid, når vi har at gøre med massive ioner accelereret til næsten lysets hastighed, situationen ændrer sig. Guldkernen indeholder 79 protoner, blykernen så mange som 82, så den elektriske ladning af hver ion er tilsvarende mange gange større end den elementære ladning. Bærerne af elektromagnetiske interaktioner er fotoner, så hver ion kan behandles som et objekt omgivet af en sky af mange fotoner. I øvrigt, i RHIC og LHC, ionerne bevæger sig med hastigheder tæt på lysets. Som resultat, fra observatørens synspunkt i laboratoriet, både de og deres omgivende skyer af fotoner ser ud til at være ekstremt tynde pletter, fladtrykt i bevægelsesretningen. Med hver passage af sådan en proton-neutron pandekage, der er en ekstrem voldsom oscillation af de elektriske og magnetiske felter.

I kvanteelektrodynamik, teorien brugt til at beskrive elektromagnetisme med hensyn til kvantefænomener, der er en maksimal kritisk værdi af det elektriske felt, af størrelsesordenen ti til seksten volt pr. centimeter. Det gælder for statiske elektriske felter. I tilfælde af kollisioner af massive atomkerner i RHIC eller LHC, vi har at gøre med dynamiske felter, der kun optræder i milliontedele af en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund. I så ekstremt kort tid, de elektriske felter i kollisioner af ioner kan være endda 100 gange stærkere end den kritiske værdi.

"Faktisk, de elektriske felter af ioner, der kolliderer i LHC eller RHIC, er så kraftige, at de genererer virtuelle fotoner, og deres kollisioner opstår. Som et resultat af disse processer, lepton-antilepton-par dannes på forskellige punkter omkring ionerne, hvor der ikke var noget materiale før. Partiklerne i hvert par bevæger sig væk fra hinanden på en karakteristisk måde:typisk i modsatte retninger og næsten vinkelret på den oprindelige retning af ionernes bevægelse, " forklarer Dr. Wolfgang Schäfer (IFJ PAN) og påpeger, at familien af ​​leptoner omfatter elektroner og deres mere massive modstykker:myoner og tauoner.

Fotoninteraktioner og produktionen af ​​lepton-antilepton-par forbundet med dem er afgørende i perifere kollisioner. Kollisioner som disse blev beskrevet af fysikerne fra Krakow for nogle år siden. Til deres overraskelse, de har nu formået at vise, at de samme fænomener også spiller en væsentlig rolle ved direkte kollisioner af kerner, selv centrale. De indsamlede data for guldkerner i RHIC og blykerner i LHC viser, at der under sådanne kollisioner opstår et vist "overskydende" antal elektron-positron-par, som divergerer relativt langsomt i retninger næsten vinkelret på ionstrålerne. Det har været muligt at forklare deres eksistens netop ved at tage højde for produktionen af ​​lepton-antilepton-par ved at kollidere fotoner.

"Den virkelige prikken over i'et for os var, at ved at supplere de eksisterende værktøjer til beskrivelse af massive ionkollisioner med vores formalisme bygget på den såkaldte Wigner-distributionsfunktion, vi kunne endelig forklare, hvorfor detektorerne fra de største nutidige acceleratoreksperimenter registrerer denne slags fordelinger af leptoner og antileptoner, der undslipper fra stedet for de nukleare kollisioner (for en bestemt centralitet af kollisionen). Vores forståelse af de vigtigste processer, der finder sted her, er blevet mere komplet, " slutter prof. Antoni Szczurek (IFJ PAN).

Arbejdet med Cracow-modellen af ​​foton-foton-kollisioner blev finansieret af det polske nationale videnskabscenter. Modellen har vakt interesse hos fysikere, der arbejder med ATLAS- og ALICE-detektorerne i LHC og vil blive brugt i de næste analyser af eksperimentelle data.