LHCb:Korrelationer viser nuancer af partikelfødselsprocessen

Højenergi-ionkollisioner ved Large Hadron Collider er i stand til at producere et kvark-gluon-plasma. Men er tunge atomkerner virkelig nødvendige for dens dannelse? Og frem for alt:hvordan fødes sekundære partikler senere fra dette plasma? Yderligere spor i søgen efter svar på disse spørgsmål er givet af den seneste analyse af kollisioner mellem protoner og protoner eller ioner, observeret i LHCb-eksperimentet.

Når tunge atomkerner kolliderer ved de højeste energier i LHC, skabes et kvark-gluon-plasma i et ufatteligt kort øjeblik. Dette er en eksotisk stoftilstand, hvor kvarker og gluoner, normalt fanget i protoner eller neutroner, ikke længere er tæt bundet sammen. Denne tilstand er ikke permanent:Efterhånden som temperaturen falder, hasroniseres kvarkerne og gluonerne hurtigt, dvs. genbinder sig med hinanden, hvilket producerer strømme af sekundære partikler, der divergerer i forskellige vinkler.

Detaljerne i hadroniseringsprocessen, et fænomen, der er afgørende for vores forståelse af grundlaget for den fysiske virkelighed, forbliver stadig et mysterium. Nye spor er blevet givet af de netop afsluttede analyser af kollisioner fra LHCb-eksperimentet, udført med deltagelse af fysikere fra Institute of Nuclear Physics ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow.

Resultaterne er offentliggjort i Journal of High Energy Physics .

"Hadronisering sker i tidsskalaer af yoktosekunder, dvs. billiontedele af en billiontedel af et sekund, over afstande på størrelse med femtometer, dvs. milliontedele af en milliardtedel af en meter. Fænomener, der opstår så ekstremt hurtigt og på sådanne mikroskopiske skalaer, vil ikke være direkte observerbare i en lang tid endnu - måske aldrig," forklarer prof. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN), medforfatter til avisen.

"Vi forsøger derfor at udlede, hvad der sker med kvark-gluon-plasmaet, ved at se på visse specifikke kvante-korrelationer mellem de partikler, der produceres ved kollisioner. Vi har udført sådanne analyser i årevis og gradvist opbygget et mere præcist billede af fænomenet som mængden af ​​behandlede data stiger."

Hvad er kvantekorrelationer helt præcist? I kvantemekanikken beskrives partikler ved hjælp af bølgefunktioner. Hvis der er mange partikler i systemet, der undersøges, kan deres bølgefunktioner overlappe hinanden. Som i normale bølger opstår der så interferens. Hvis bølgefunktionerne undertrykkes som et resultat, taler vi om Fermi-Dirac-korrelationer, hvis de er forbedrede - Bose-Einstein-korrelationer. Det er disse sidstnævnte korrelationer, der er karakteristiske for identiske partikler, der har tiltrukket sig videnskabsmænds opmærksomhed.

Forskerne fokuserede deres opmærksomhed på Bose-Einstein-korrelationer, der opstår mellem par af pioner eller pi-mesoner. Analyser af lignende type var allerede blevet udført på data fra andre detektorer, der opererede ved LHC-acceleratoren, men disse omhandlede kun partikler, der divergerede i store vinkler fra kollisionspunktet.

I mellemtiden har det unikke design af LHCb-detektoren gjort det muligt for fysikere at se for første gang på partikler, der udsendes "fremad", i vinkler, der afviger fra retningen af ​​den oprindelige stråle med ikke mere end et dusin grader eller deromkring. De opnåede resultater fuldender således billedet af fænomenet opbygget af målinger i de andre forsøg på LHC.

Valget af den "fremadrettede" retning var ikke den eneste nyhed. Analysen er udført for såkaldte små systemer, dvs. for proton-proton-, proton-ion- og ion-proton-kollisioner (de sidste to tilfælde er ikke identiske, fordi i et tilfælde kun én proton bevæger sig med høj hastighed, mens i andet tilfælde består kernen af ​​mange protoner og neutroner).

Forskerne ville blandt andet finde ud af, om de kollektive fænomener, der observeres ved kerne-kerne-kollisioner, forbundet med kvark-gluon-plasma, også kunne optræde i kollisioner af mindre partikelsystemer.

"Vi underkastede de korrelationer, vi fandt, for yderligere verifikation. For eksempel testede vi, hvordan de afhænger af forskellige variabler, såsom mangfoldigheden af ​​ladede partikler. Desuden kunne vi, eftersom alle kollisioner blev registreret med de samme detektorer og under de samme forhold, nemt kontrollere, om vores korrelationer ændrer sig under forskellige konfigurationer af kolliderende partikelsystemer," siger prof. Kucharczyk.

Konklusionerne af analyserne er interessante. Alt tyder på, at kvark-gluon plasma kan produceres ved LHC selv ved enkeltprotonkollisioner. Samtidig synes kilderne til sekundær partikelemission ved proton-proton-kollisioner at være mindre end ved blandede kollisioner. En interessant sammenhæng mellem korrelationer og vinkler med hensyn til stråleaksen for partikler produceret i kollisionerne blev også observeret.

"Observationen af ​​korrelationer i små systemer har udløst en diskussion om deres oprindelse. Især spørgsmålet om, hvorvidt de har samme oprindelse som ved sammenstød med tunge ioner, er spændende, og som konsekvens heraf, hvilke betingelser der skal til for at producere en kvark. -gluonplasma? Nogle nuværende modeller af dette plasma antager tilstedeværelsen af ​​kollektive fænomener i plasmaet. Resultaterne af vores analyser ser ud til at være tættere på netop sådanne hydrodynamiske modeller," tilføjer Prof. Kucharczyk.

Kun det - har vi virkelig at gøre med kvark-gluon plasmastrømme under hadronisering? I øjeblikket eksisterende teoretiske modeller af fænomenet er fænomenologiske, hvilket betyder, at de skal kalibreres med data opnået fra eksperimenter.

På trods af dette kan ingen af ​​modellerne gengive resultaterne af målinger med tilfredsstillende nøjagtighed. Det ser derfor ud til, at der stadig er meget arbejde forude for fysikere, før den sande natur af kvark-gluon plasmaprocesser er kendt.

Flere oplysninger: Aaij, R et al, Studie af Bose-Einstein-korrelationerne af pioner med samme tegn i proton-bly-kollisioner, Journal of High Energy Physics (2023). DOI:10.1007/JHEP09(2023)172

Leveret af det polske videnskabsakademi