Partikelfysikere studerer små brag ved ATLAS -eksperimentet

Et nyt resultat fra ATLAS Collaboration ved CERN undersøger interaktioner mellem fotoner - lyspartikler - med blykerner ved Large Hadron Collider (LHC). Ved hjælp af nye dataindsamlingsteknikker, fysikere afslørede en uventet lighed med de eksperimentelle signaturer af kvark -gluonplasma.

Når den er i drift, LHC dedikerer omkring en måned om året til at kollidere blykerner. Denne konfiguration giver fysikere en mulighed for at studere kvark -gluonplasma (QGP), en intenst varm og tæt fase af stof, der skabes, når kernerne kolliderer frontalt. Disse ekstreme forhold efterligner dem fra det tidlige univers i løbet af de første mikrosekunder efter Big Bang. QGP er godt forstået af fysikere:det udvikler sig som en næsten perfekt væske, trofast bevarer den geometriske form præget ved dets dannelse i en række mønstre i partimens fordeling af partikler i slutningen af ​​dens udvikling.

Men hvad sker der, når to kommende blykerner næsten ikke savner hinanden? Den ledende kerne, helt fjernet sine sædvanlige omgivende elektroner, rummer en stor elektrisk ladning, som kan fremkalde en række interessante processer. Det intense elektromagnetiske felt i hver kerne kan betragtes som ækvivalent med en strøm af fotoner med store energier. Disse fotoner kan interagere med kommende fotoner fra den anden kerne, hvilket fører til, for eksempel, lys-for-lys spredningsprocesser. Ud over, en foton med høj energi kan også ramme den anden kerne direkte, fører til en eksotisk "fotonuklear" kollision.

I løbet af 2018-lead-lead-kørslen af ​​LHC, ATLAS -fysikere finjusterede de unikke egenskaber ved fotonukleære begivenheder for at indsamle en stor prøve til undersøgelse. Fordi den deltagende blykerne har et momentum, der er snesevis af gange større end fotonets, produkterne fra disse kollisioner "boostes" (forskydes) i retning af blykernen. Hændelsesdisplayet ovenfor viser den asymmetriske fordeling af partikler, der resulterer i denne situation. Denne egenskab, asymmetrisk mønster giver forskere mulighed for effektivt at gennemse milliarder af almindelige symmetriske bly -bly -kollisioner og finde de sjældne fotonukleære hændelser.

I en nylig publikation, ATLAS-fysikere var overraskede over at se, at nogle af de mest energiske fotonukleære kollisioner viste tegn på at skabe den samme varme og tætte QGP, der blev observeret ved frontalt-mod-kollisioner! Specifikt, partiklerne udviste en azimutal momentanisotropi (v2) i det tværgående plan. Denne signatur tolkes traditionelt som et bevis på QGP -dannelse - da den stammer fra trykgradienter, der er større langs en akse af QGP end en anden. Figur 1 viser, at v2 -værdierne i fotonukleære hændelser er sammenlignelige med værdierne ved proton -proton og proton -bly -kollisioner. Disse data giver et pirrende forslag om, at kvark -gluonplasma kan dannes selv i disse eksotiske, små kollisionssystemer.

De fleste teoretiske modeller af disse momentumanisotropier er afhængige af, at de kolliderende kroppe består af kvarker og gluoner. Naivt, det er overraskende at finde sådanne effekter i et system, hvor en af ​​de kolliderende partikler er en simpel, strukturløs foton! Imidlertid, ved store nok energier, fotonens bølgefunktion er en superposition af mange tilstande, herunder nogle, der er hadroner (partikler sammensat af kvarker og gluoner). Dermed, disse målinger giver et kollisionssystem med en meget anderledes indledende struktur end dem, der traditionelt blev brugt til at studere kvark -gluonplasmaet - og fungerer som en test for eksperimentelle og teoretikere.