Brug af verdens tre mest kraftfulde partikelacceleratorer til at afsløre rum-tidsgeometrien af kvarkstof
Fysikere fra Eötvös Loránd University (ELTE) har forsket i stoffet, der udgør atomkernen, ved at bruge verdens tre mest kraftfulde partikelacceleratorer. Deres fokus har været på at kortlægge den "ursuppe", der fyldte universet i den første milliontedel af et sekund efter dets begyndelse.
Spændende nok viste deres målinger, at bevægelsen af observerede partikler minder om jagten efter byttedyr fra marine rovdyr, mønstrene for klimaændringer og aktiemarkedets udsving.
Umiddelbart efter Big Bang var temperaturerne så ekstreme, at atomkerner ikke kunne eksistere, og det kunne nukleoner heller ikke være deres byggesten. Derfor var universet i dette første tilfælde fyldt med en "ursuppe" af kvarker og gluoner.
Da universet afkølede, gennemgik dette medium en "frysning", hvilket førte til dannelsen af partikler, vi kender i dag, såsom protoner og neutroner. Dette fænomen gentages i meget mindre skala i partikelacceleratoreksperimenter, hvor kollisioner mellem to kerner skaber små dråber af kvarkstof. Disse dråber går til sidst over i det almindelige stof gennem freeze-out, en transformation kendt af forskere, der udfører disse eksperimenter.
Egenskaberne af kvarkstof varierer dog på grund af forskelle i tryk og temperatur, der skyldes kollisionsenergien i partikelacceleratorer. Denne variation nødvendiggør målinger for at "scanne" stof i partikelacceleratorer af forskellige energier, Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) i USA, eller Super Proton Synchrotron (SPS) og Large Hadron Collider (LHC) i Schweiz.
"Dette aspekt er så afgørende, at nye acceleratorer bliver konstrueret over hele verden, f.eks. i Tyskland eller Japan, specifikt til sådanne eksperimenter. Det måske vigtigste spørgsmål er, hvordan overgangen mellem faser sker:et kritisk punkt kan dukke op på fasen kort," forklarer Máté Csanád, professor i fysik ved Institut for Atomfysik, Eötvös Loránd University (ELTE).
Det langsigtede mål med forskningen er at uddybe vores forståelse af den stærke vekselvirkning, der styrer vekselvirkningerne i kvarkstof og i atomkerner. Vores nuværende vidensniveau på dette område kan sammenlignes med menneskehedens greb om elektricitet under Volta, Maxwell eller Faradays epoker.
Mens de havde en forestilling om de grundlæggende ligninger, krævede det en betydelig mængde eksperimentelt og teoretisk arbejde at udvikle teknologier, der dybt har transformeret hverdagen, lige fra pæren til fjernsyn, telefoner, computere og internettet. På samme måde er vores forståelse af den stærke interaktion stadig embryonal, hvilket gør forskning til at udforske og kortlægge den af afgørende betydning.
Forskere fra ELTE har været involveret i eksperimenter med hver af disse acceleratorer nævnt ovenfor, og deres arbejde i løbet af de sidste par år har ført til et omfattende billede af kvarkstoffets geometri. De opnåede dette gennem anvendelse af femtoskopiteknikker. Denne teknik udnytter de korrelationer, der opstår fra den ikke-klassiske, kvantelignende bølgenatur af de producerede partikler, som i sidste ende afslører femtometerskalastrukturen af mediet, den partikelemitterende kilde.
"I de foregående årtier blev femtoskopi opereret ud fra den antagelse, at kvarkstof følger en normalfordeling, det vil sige den gaussiske form, der findes så mange steder i naturen," forklarer Márton Nagy, en af gruppens ledende forskere. De ungarske forskere vendte sig dog til Lévy-processen, som også er kendt i forskellige videnskabelige discipliner, som en mere generel ramme, og som er en god beskrivelse af havrovdyrs jagt efter bytte, aktiemarkedsprocesser og endda klimaforandringer.
Et karakteristisk træk ved disse processer er, at de i visse øjeblikke gennemgår meget store ændringer (f.eks. når en haj søger efter føde i et nyt område), og i sådanne tilfælde kan en Lévy-fordeling frem for en normal (Gaussisk) fordeling forekomme.
Denne forskning har stor betydning af flere årsager. Primært er et af de mest undersøgte træk ved udfrysningen af kvarkstof, dets transformation til konventionelt (hadronisk) stof, den femtoskopiske radius (også kaldet HBT-radius, idet man bemærker dens relation til den velkendte Hanbury Brown og Twiss effekt i astronomi), som er afledt af femtoskopiske målinger. Denne skala afhænger dog af mediets antagne geometri.
Som Dániel Kincses, en postdoc-forsker i gruppen, opsummerer:"Hvis den Gaussiske antagelse ikke er optimal, så kan de mest nøjagtige resultater fra disse undersøgelser kun opnås under Lévy-antagelsen. Værdien af 'Lévy-eksponenten', som karakteriserer Lévy-fordelingen kan også kaste lys over arten af faseovergangen. Derfor giver dens variation med kollisionsenergi værdifuld indsigt i kvarkstoffets forskellige faser."
Forskere fra ELTE deltager aktivt i fire eksperimenter:NA61/SHINE ved SPS-acceleratoren, PHENIX og STAR ved RHIC og CMS ved LHC. NA61/SHINE-gruppen af ELTE ledes af Yoshikazu Nagai, CMS-gruppen af Gabriella Pásztor; og RHIC-grupperne af Máté Csanád, som også koordinerer ELTEs femtoskopiforskning.
Grupperne yder væsentlige bidrag til succesen af eksperimenter i forskellige kapaciteter, lige fra detektorudvikling til dataindsamling og analyse. De er også engageret i mange projekter og teoretisk forskning. "Det unikke ved vores femtoskopi-forskning er, at det udføres i fire eksperimenter i tre partikelacceleratorer - hvilket giver os et bredt overblik over kvarkstoffets geometri og mulige faser," siger Máté Csanád.
Holdet præsenterede deres seneste resultater på workshoppen om partikelkorrelationer og femtoskopi, der blev afholdt den 6.-10. november 2023. Som en del af store samarbejder har de også offentliggjort relateret forskning i The European Physical Journal C , Fysikbogstaver B og Univers .
Flere oplysninger: Márton Nagy et al., En ny metode til beregning af Bose-Einstein-korrelationsfunktioner med Coulomb sluttilstandsinteraktion, The European Physical Journal C (2023). DOI:10.1140/epjc/s10052-023-12161-y
Balázs Kórodi et al, Begivenheds-for-hændelse undersøgelse af to-partikel kildefunktionen i sNN=2,76 TeV PbPb kollisioner med EPOS, Physics Letters B (2023). DOI:10.1016/j.physletb.2023.138295
Bálint Kurgyis et al., Coulomb-korrektioner for Bose-Einstein-korrelationer fra en- og tredimensionelle Lévy-type-kildefunktioner, Universe (2023). DOI:10.3390/universe9070328
Barnabás Pórfy, Femtoskopisk korrelationsmåling med symmetrisk Lévy-typekilde ved NA61/SHINE, Universe (2023). DOI:10.3390/universe9070298
Ayon Mukherjee, Kaon Femtoskopi med Lévy-stabile kilder fra sNN=200 GeV Au+Au Collisions at RHIC, Universe (2023). DOI:10.3390/universe9070300
László Kovács, Charged Kaon Femtoscopy with Lévy Sources in sNN =200 GeV Au+Au Collisions at PHENIX, Universe (2023). DOI:10.3390/universe9070336
Journaloplysninger: Fysik bogstaver B
Leveret af Eötvös Loránd University
Varme artikler
-
Visualisering af spin-vinkelmomentum i vandbølgerDet kanoniske momentum og spindensiteter i interferensen af to tyngdekraftsbølger.(A) Skematisk af forsøgsopstillingen til observation af partikelbevægelsen i forstyrrende vandoverfladebølger. (B) S -
Forskere ser på støjende kvantecomputerKuva. Kredit:D-wave Systems Inc. Forskere fra CSC – IT-center for videnskab, Aalto University og Åbo Akademi og deres samarbejdspartnere fra Boston University i USA har for første gang demonstrere -
Nye resultater viser, at stof og antimaterie interagerer med lys på præcis samme mådeDet er et af de største mysterier i universet:Hvorfor er der så meget mere stof end antimateriale? I de tidlige dage af universet var der sandsynligvis lige store mængder af hvert, men af en eller -
Søger efter supernova neutrinoer med Deep Underground Neutrino ExperimentDUNE-forskere vil studere strømme af neutrinoer, der udsendes af eksploderende stjerner. DUNEs unikke styrke er dens følsomhed over for en bestemt type neutrino kaldet elektronneutrino, som vil give f
- Vil navngivning af antropocæn føre til accept af vores påvirkning på planetniveau?
- Tilbage til tyngdekraften:Russerne taler om verdens første rumfilm
- Fysikere OK kommerciel grafen til T-bølgedetektion
- Undersøgelse udforsker egenskaberne af en unik mellempolar
- Typer af klipper, der bruges i byggematerialer
- Et kæmpe fremskridt inden for spektrometri