Hvordan nogle højenergipartikelstråler mister energi i kvark-gluon-plasmaet

Forskere, der studerer partikelkollisioner ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) har afsløret, hvordan visse partikelstråler mister energi, når de krydser den unikke form for nukleart stof, der er skabt i disse kollisioner. Resultaterne, offentliggjort i Physical Review C , skulle hjælpe dem med at lære om vigtige "transportegenskaber" af denne varme partikelsuppe, kendt som et kvark-gluon plasma (QGP).

"Ved at se på, hvordan stråler af partikler sænkes, når de bevæger sig gennem QGP, kan vi lære om dets egenskaber på samme måde, når vi studerer, hvordan objekter bevæger sig gennem vand, kan fortælle dig noget om dets tæthed og viskositet," sagde Raghav Kunnawalkam Elayavalli, en postdoktor. stipendiat ved Yale University og medlem af RHICs STAR-eksperimentsamarbejde.

Men der er flere måder et jetfly kan miste energi på - eller blive "slukket". Så det kan være svært at sige, hvilken af ​​disse årsager der skaber den dæmpende effekt.

Med de nye resultater har STAR for første gang identificeret en specifik population af jetfly, som fysikerne siger, at de tydeligt kan identificere mekanismen for:individuelle kvarker, der udsender gluoner, når de interagerer med QGP.

Teoretikere kan nu bruge dataene til at forfine deres beregninger, der beskriver grundlæggende egenskaber ved den varme kvarksuppe.

"Jets er meget nyttige, fordi de fortæller dig, hvordan disse kvarker interagerer med sig selv," sagde Kolja Kauder, en anden hovedforfatter på analysen, som er fysiker ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory, hvor RHIC er placeret. "Dette er essensen af ​​'kvantekromodynamik' - teorien, der beskriver kernekraftens vekselvirkninger mellem kvarker og gluoner. Vi lærer mere om den grundlæggende naturkraft ved at studere, hvordan disse jetfly bliver slukket."

I begyndelsen

Den stærke kraft spiller en stor rolle i opbygningen af ​​strukturen af ​​alt, hvad vi ser i universet i dag. Det er fordi alt synligt stof er lavet af atomer med protoner og neutroner i deres kerne. Disse partikler består til gengæld af kvarker, som holdes sammen af ​​udvekslingen af ​​stærke kraftbærerpartikler - de limlignende gluoner.

Men kvarker var ikke altid bundet sammen. Forskere mener, at kvarker og gluoner strejfede frit meget tidligt i universet, blot et mikrosekund efter Big Bang, før den oprindelige suppe af materiens grundlæggende byggesten blev afkølet nok til, at protoner og neutroner kunne dannes. RHIC, et US Department of Energy Office of Science brugerfacilitet til kernefysisk forskning, blev bygget til at genskabe og studere dette kvark-gluon plasma.

RHIC genskaber den tidlige univers kvarksuppe ved at styre kernerne af tunge atomer som guld til frontale kollisioner med næsten lysets hastighed. Den frigivne energi skaber tusindvis af nye subatomære partikler, inklusive kvarker (husk energi kan skabe masse og omvendt gennem den berømte ligning E=mc ² ). Det "smelter" også grænserne for de individuelle protoner og neutroner for at frigøre de indre kvarker og gluoner.

Forskere har sporet, hvordan forskellige typer partikler strømmer gennem det resulterende kvark-gluon-plasma i mere end to årtier. Disse omfatter kollimerede sprays eller stråler af partikler, der er et resultat af fragmenteringen af ​​en kvark eller gluon. Forskerne har generelt fundet ud af, at partikler med høj momentum og jetfly mister energi, når de krydser klatten af ​​varm QGP. Gennem denne nye undersøgelse har de identificeret detaljer om en specifik mekanisme til jet-quenching i en undergruppe af jetfly.

Sporing af "dijets" i forskellige vinkler

Denne undersøgelse fokuserede specifikt på jetfly af partikler produceret back-to-back (kaldet dijets), hvor en stråle tæt på overfladen af ​​QGP-klatten let undslipper med masser af energi, mens rekylstrålen, der rejser en længere rute i den modsatte retning, bliver slukkes af plasmaet. STAR-fysikere sporede energien af ​​partikler, der udgør "keglen" af rekylstrålen. Sammenligner man det med energien fra det undslupne (eller "trigger") jetfly fortæller dem, hvor meget energi der gik tabt.

De delte også alle begivenhederne op i dem, der producerede relativt smalle stråler og dem, der producerede en bredere spray af partikler.

"Vores intuition fortæller os, at noget bredere bevæger sig gennem mediet burde miste mere energi," sagde Kunnawalkam Elayavalli. "Hvis strålen er smal, kan den på en måde slå igennem, og du ville forvente mindre energitab end for en bredere stråle, som ser mere af plasmaet. Det var forventningen."

Tænk på en stor svømmer, der bevæger sig gennem vandet på en ikke-strømlinet måde, foreslog han. Du ville forvente at se et bredere kølvandet bevæge sig længere fra personen end kølvandet på en slank, strømlinet svømmer. I tilfældet med partiklerne forventede fysikerne, at det bredere "våge" produceret af bredere jetfly ville skubbe partikler ud over grænserne for deres detektion.

"Men det, vi fandt, er, at med denne særlige delmængde af jetfly, som vi studerede på RHIC, er det ligegyldigt, hvad åbningsvinklen på jetflyet er; de mister alle energi på samme måde."

For både de smalle og brede stråler kan sammenlægning af energien af ​​alle partiklerne med højt momentum og lavt momentum inde i "keglen" tage højde for al den energi, der "taber" ved quenching. Det vil sige, at mens disse jetfly oplevede energitab, i både de brede og smalle jetstråler, blev den tabte energi omdannet til partikler med lavere momentum, der blev i jetkeglen.

"Når jetflyene mister energi, bliver den tabte energi omdannet til partikler med lavere momentum. Du kan ikke bare miste energi; den skal bevares," sagde Brookhavens Kauder. Overraskelsen var, at al energien blev i keglen.

Konsekvenserne

Resultaterne har vigtige implikationer for forståelsen af, hvornår slukningen sker for disse jetfly.

"At ikke se en forskel mellem de brede og smalle jetstråler betyder, at mekanismen for energitab er uafhængig af underbygningen af ​​jetstrålen. Energitabet skal være sket, før jetflyene delte sig - før der var en åbningsvinkel, smal eller bred," Kunnawalkam sagde Elayavalli.

Det mest sandsynlige hændelsesforløb:"Sandsynligvis en enkelt kvark, der krydser plasma-udstrålede gluoner (afgav energi), da den interagerede med andre kvarker i QGP, derefter splittes den for at producere jet-understrukturen. Gluonerne bliver til andre lavere momentum-partikler, der bliv inden for keglen, og det er de partikler, vi måler," sagde han.

Hvis energitabet skete efter jet-splittelsen, ville hver partikel, der udgør jet-understrukturen, have mistet energi, med større sandsynlighed for, at partikler ville sprede sig ud over jet-keglen – med andre ord, danne et "våge" ud over det område, hvor fysikerne kunne måle dem.

At kende den specifikke mekanisme for energitab for disse jetfly vil hjælpe teoretikere med at forfine deres beregninger af, hvordan energitabet relaterer sig til QGP-transportegenskaberne - egenskaber, der er noget analoge med vands viskositet og tæthed. Det vil også give fysikere en måde at forstå mere om de grundlæggende stærke kraftinteraktioner mellem kvarker.

"At få en kvantitativ forståelse af egenskaberne af dette plasma er altafgørende for at studere udviklingen af ​​det tidlige univers," sagde Kunnawalkam Elayavalli, "herunder hvordan den ursuppe af partikler blev protoner og neutroner i kernerne af atomer, der udgør vores verden. i dag.

"Denne måling starter i det væsentlige den næste æra af jetfysik på RHIC, som vil give os mulighed for differentielt at studere rum-tids-evolutionen af ​​QGP." + Udforsk yderligere

Første direkte observation af dødkegleeffekten i partikelfysik