Tegn på mætning dukker op fra partikelkollisioner ved RHIC

Kernefysikere, der studerer partikelkollisioner ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - en brugerfacilitet hos US Department of Energy Office of Science ved DOE's Brookhaven National Laboratory - har nye beviser for, at partikler kaldet gluoner når en stabil "mættet" tilstand inde i de hurtige ioner. Beviset er undertrykkelse af ryg-mod-ryg par af partikler, der kommer fra kollisioner mellem protoner og tungere ioner (atomkerner), som sporet af RHICs STAR-detektor. I et papir netop offentliggjort i Physical Review Letters STAR-samarbejdet viser, at jo større kerne protonen kolliderer med, jo større er undertrykkelsen i denne nøglesignatur, som forudsagt af teoretiske modeller for gluonmætning.

"Vi varierede arten af ​​den kolliderende ionstråle, fordi teoretikere forudsagde, at dette tegn på mætning ville være lettere at observere i tungere kerner," forklarede Brookhaven Lab-fysiker Xiaoxuan Chu, et medlem af STAR-samarbejdet, der ledede analysen. "Det gode er, at RHIC, verdens mest fleksible kolliderer, kan accelerere forskellige arter af ionstråler. I vores analyse brugte vi kollisioner af protoner med andre protoner, aluminium og guld."

Mætning burde være lettere at se i aluminium og endnu nemmere i guld sammenlignet med simplere protoner, forklarede Chu, fordi disse større kerner har flere protoner og neutroner, der hver især består af kvarker og gluoner.

Tidligere eksperimenter har vist, at når ioner accelereres til høje energier, splittes gluoner, en i to, for at formere sig til meget høje tal. Men videnskabsmænd har mistanke om, at gluonformering ikke kan fortsætte for evigt. I stedet for, i kerner, der bevæger sig tæt på lysets hastighed, hvor relativistisk bevægelse udflader kernerne til hurtige gluon-"pandekager", bør overlappende gluoner begynde at rekombinere.

"Hvis hastigheden af ​​to gluoner, der rekombinerer til en, udligner hastigheden af ​​enkelt gluon-spaltning, når gluondensiteten en stabil tilstand eller plateau, hvor den ikke går op eller ned. Det er mætning," sagde Chu. "Fordi der er flere gluoner og flere overlappende gluoner i større kerner, bør disse større ioner vise tegn på rekombination og mætning lettere end mindre," tilføjede hun.

Scanning efter ryg-til-ryg-par

For at søge efter disse tegn scannede STAR-forskerne data indsamlet i 2015 for kollisioner, hvor et par "pi nul"-partikler ramte STARs fremadgående mesonspektrometer i en ryg-til-ryg-konfiguration. I dette tilfælde betyder back-to-back 180 grader fra hinanden omkring et cirkulært mål for enden af ​​detektoren i den fremadgående retning af sonderende protonstråle. Disse kollisioner udvælger interaktioner mellem en enkelt højenergikvark fra sonderingsprotonen med en enkelt gluon med lavt momentum i målionen (proton, aluminium eller guld).

"Vi bruger kvarken fra protonen som et værktøj eller en sonde til at studere gluonen inde i den anden ion," sagde Chu.

Holdet var især interesseret i gluonerne med "lav momentum fraktion" - mængden af ​​gluoner, der hver bærer en lille brøkdel af kernens samlede momentum. Eksperimenter med HERA-acceleratoren i Tyskland (1992-2007) har vist, at ved høj energi domineres protoner og alle kerner af disse gluoner med lavt momentum-fraktion.

I proton-proton-kollisioner er kvark-gluon-interaktionerne meget ligetil, forklarede Chu. "De to partikler - kvark og gluon - rammer hinanden og genererer to pi nul partikler ryg mod ryg," sagde hun.

Men når en kvark fra protonen rammer en gluon i en større udfladet kerne, hvor mange gluoner overlapper hinanden, kan interaktionerne være mere komplekse. Kvarken - eller den ramte gluon - kan ramme flere yderligere gluoner. Eller gluonen kan rekombinere med en anden gluon og miste al "hukommelse" af sin oprindelige tendens til at udsende et pi nul.

Begge processer - multiple spredninger og gluonrekombination - bør "udtvære" ryg-til-ryg pi-nul-signalet, forklarede Elke Aschenauer, lederen af ​​Brookhaven Labs "Cold QCD"-eksperimentgruppe, som udforsker detaljer om kvantekromodynamik (QCD), teori, der styrer interaktionen mellem kvarker og gluoner i protoner og kerner.

"Så, proton-proton-kollisioner giver os en baseline," sagde Chu. "I disse kollisioner har vi ikke mætning, fordi der ikke er nok gluoner og ikke nok overlap. For at lede efter mætning sammenligner vi det observerbare af to-partikelkorrelationen på tværs af de tre kollisionssystemer."

Resultater matcher teoriforudsigelse

Resultaterne kom ud, ligesom teorierne forudsagde, hvor fysikerne observerede de færreste ryg-mod-ryg korrelerede partikler, der ramte detektoren i proton-guld-kollisioner, et mellemniveau i proton-aluminium-kollisioner og den højeste korrelation i baseline-protonen -protonkollisioner.

Undertrykkelsen af ​​pi nul-korrelationen i de større kerner, og det faktum, at undertrykkelsen bliver stærkere, jo større kernen bliver, er klare beviser, siger forskerne, på gluon-rekombination, der er nødvendig for at nå gluonmætning.

"STAR vil følge op på disse målinger ved at indsamle yderligere data i 2024 ved hjælp af nyligt opgraderede fremaddetektorkomponenter, sporing af andre observerbare ting, der også burde være følsomme over for mætning," forklarede Brookhaven Lab-fysiker Akio Ogawa, medlem af STAR-samarbejdet og en nøglespiller i bygger de nye fremadrettede STAR-detektorsystemer.

Tilsammen vil RHIC-resultaterne også være et vigtigt grundlag for meget lignende målinger ved den fremtidige Electron-Ion Collider (EIC), der bygges ved Brookhaven for at kollidere elektroner med ioner.

Ifølge Aschenauer, en af ​​fysikerne, der lægger planerne for forskning på dette anlæg, "Hvis vi måler dette nu ved RHIC, ved en kollisionsenergi på 200 milliarder elektronvolt (GeV), er det meget lig den kollisionsenergi, vi vil få ved EIC. Det betyder, at vi kan bruge det samme observerbare på EIC til at teste, om rekombination og mætning er universelle egenskaber for kernerne, som forudsagt af mætningsmodellerne."

At se det samme resultat på begge faciliteter, "ville bevise, at disse egenskaber ikke afhænger af strukturen og typen af ​​sonden, vi bruger til at studere dem," sagde hun. + Udforsk yderligere

Lyser på de indre detaljer og opdelingen af ​​deuteroner