Hvordan eksploderer kvark-gluon-plasma-ildkugler til hadroner?

Quark gluon plasma (QGP) er en spændende tilstand af stof, som videnskabsmænd skaber i et laboratorium ved at kollidere med to tunge kerner. Disse kollisioner producerer en QGP-ildkugle. Ildkuglen udvider sig og afkøles efter hydrodynamikkens love, som styrer, hvordan væsker opfører sig under forskellige forhold. Til sidst dukker subatomære partikler (protoner, pioner og andre hadroner eller partikler sammensat af to eller flere kvarker) frem og observeres og tælles af detektorer, der omgiver kollisionen.

Udsving i antallet af disse partikler fra kollision til kollision bærer vigtige oplysninger om QGP. Det er imidlertid en vanskelig opgave at udtrække disse oplysninger fra, hvad videnskabsmænd kan observere. En tilgang kaldet det maksimale entropiprincip giver en afgørende forbindelse mellem disse eksperimentelle observationer og QGP-ildkuglens hydrodynamik.

Fremgangsmåden er beskrevet i tidsskriftet Physical Review Letters .

Efterhånden som en QGP-ildkugle udvider sig og afkøles, bliver den til sidst for fortyndet til at blive beskrevet af hydrodynamik. På dette stadium har QGP "hadroniseret." Det betyder, at dens energi og andre kvanteegenskaber bæres af hadroner. Disse er subatomære partikler såsom protoner, neutroner og pioner, der består af kvarker. Hadronerne "fryser ud" - de fryser information om den endelige hydrodynamiske tilstand af QGP-ildkuglen, hvilket gør det muligt for partiklerne, der strømmer fra kollisionen, at føre denne information til detektorerne i et eksperiment.

Forskningen giver et værktøj til at bruge simuleringer til at beregne observerbare fluktuationer i QGP. Dette har gjort det muligt for forskerne, fra University of Illinois, Chicago, at bruge freeze-out til at identificere antydninger af et kritisk punkt mellem en QGP-ildkugle og en gasformig hadroniseret tilstand. Dette kritiske punkt er et af videnskabsmænds uløste spørgsmål om kvantekromodynamik, teorien om de stærke gluon-drevne interaktioner mellem kvarker.

Udsving i QGP'en bærer information om området af QCD-fasediagrammet, hvor kollisionerne "fryser ud". Dette gør at forbinde fluktuationer i hydrodynamik til fluktuationer af de observerede hadroner til et afgørende skridt i at oversætte eksperimentelle målinger til kortet over QCD-fasediagrammet. Store hændelse-for-hændelse fluktuationer er afslørende eksperimentelle signaturer af det kritiske punkt.

Data fra Run-I Beam Energy Scan (BES) programmet ved Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) antyder tilstedeværelsen af ​​det kritiske punkt. For at følge dette tip foreslog forskerne en ny og universel tilgang til at konvertere hydrodynamiske fluktuationer til fluktuationer af hadron-multipliciteter.

Tilgangen overvinder elegant de udfordringer, som tidligere forsøg på at løse dette problem står over for. Det afgørende er, at den nye tilgang baseret på maksimumentropiprincippet bevarer al information om fluktuationerne af bevarede mængder beskrevet af hydrodynamik. Den nye udfrysningsprocedure vil finde anvendelser i de teoretiske beregninger af hændelses-for-hændelse fluktuationer og korrelationer observeret i eksperimenter såsom Beam Energy Scan-programmet på RHIC, der har til formål at kortlægge QCD fasediagrammet.

Flere oplysninger: Maneesha Sushama Pradeep et al., Maximum Entropy Freeze-Out of Hydrodynamic Fluctuations, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.130.162301

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af det amerikanske energiministerium