Vid mycket höga energier, kollisionen mellan massiva atomkärnor i en accelerator genererar hundratals eller till och med tusentals partiklar som genomgår många interaktioner. Fysiker vid Institutet för kärnfysik vid Polska vetenskapsakademien i Krakow, Polen, har visat att förloppet av denna komplexa process kan representeras av en förvånansvärt enkel modell:Extremt het materia rör sig bort från slagpunkten, sträcker sig längs den ursprungliga flygbanan i ränder, och ju längre raden är från kollisionsplanet, desto större är dess hastighet.

När två massiva atomkärnor kolliderar vid höga energier, den mest exotiska formen av materia bildas-en kvark-gluonplasma som beter sig som en perfekt vätska. Dessa teoretiska överväganden visar att efter påverkan, plasma bildas till streck längs slagriktningen, rör sig snabbare ju längre bort den rör sig från kollisionsaxeln. Modellen, dess förutsägelser och konsekvenserna för hittills experimentella data presenteras i tidskriften Fysisk granskning C .

Kollisioner av atomkärnor sker extremt snabbt och på avstånd av bara hundratals femmetrar (dvs hundratals miljoner av en miljarddels meter). De fysiska förhållandena är exceptionellt sofistikerade, och direkt observation av fenomenet är för närvarande inte möjligt. I sådana situationer, vetenskapen klarar sig genom att konstruera teoretiska modeller och jämföra sina förutsägelser med data som samlats in i experiment. Vid dessa kollisioner, dock, en stor nackdel är att det resulterande konglomeratet av partiklar är kvark-gluonplasma. Interaktioner mellan kvarker och gluoner domineras av krafter som är så starka och komplexa att modern fysik inte kan beskriva dem exakt.

"Vår grupp beslutade att fokusera på de elektromagnetiska fenomen som uppstår under kollisionen eftersom de är mycket lättare att uttrycka i matematikens språk. Som ett resultat, vår modell visade sig vara enkel nog för att vi skulle kunna använda principerna för energi och bevarande av momentum utan alltför stora besvär. Senare, fann vi att trots de antagna förenklingar, modellprognoserna förblir minst 90 procent förenliga med experimentella data, "säger Dr Andrzej Rybicki (IFJ PAN).

Massiva atomkärnor accelererade till höga hastigheter, observerats i laboratoriet, plattas i rörelseriktningen till följd av effekterna av relativitetsteorin. När två sådana "pannkakor" av protonneutron flyger mot varandra, kollisionen är i allmänhet inte central - bara några av protonerna och neutronerna i en kärna når den andra, ingå våldsamma interaktioner och bilda kvark-gluonplasma. På samma gång, några av de yttre fragmenten av kärnpannkakorna stöter inte på några hinder på vägen, och fortsätta sin oavbrutna flygning; i fysikerns jargong, de kallas "åskådare".

"Vårt arbete inspirerades av data som samlats in i tidigare experiment med kärnkollisioner, inklusive dessa gjorda vid SPS -acceleratorn. De elektromagnetiska effekter som inträffade vid dessa kollisioner som vi undersökte visade att kvark-gluonplasma rör sig med en högre hastighet ju närmare det är åskådarna, "säger Dr Rybicki.

För att återge detta förlopp av fenomenet, fysikerna från IFJ PAN bestämde sig för att dela kärnorna längs rörelseriktningen i en serie remsor - ”tegelstenar”. Varje kärna i tvärsnitt såg således ut som en hög med staplade tegelstenar (i modellen, deras höjd var en femtometer). Istället för att överväga de komplexa starka interaktionerna och flödet av momentum och energi mellan hundratals och tusentals partiklar, modellen reducerade problemet till flera dussin parallella kollisioner, varje förekommer mellan två proton-neutronstenar.

IFJ PAN -forskarna konfronterade modellens förutsägelser med data som samlats in från kollisioner av massiva kärnor mätt av NA49 -experimentet vid Super Proton Synchrotron (SPS). Denna accelerator är belägen vid CERN European Nuclear Research Organization nära Genève, där en av dess viktigaste uppgifter nu är att accelerera partiklar som skjuts in i LHC -acceleratorn.

"På grund av omfattningen av tekniska svårigheter, NA49 -experimentets resultat är föremål för specifika mätosäkerheter som är svåra att helt minska eller eliminera. I verkligheten, noggrannheten i vår modell kan till och med vara större än de redan nämnda 90 procenten. Detta berättigar oss att säga att även om det fanns ytterligare, ingår fortfarande inte, fysiska mekanismer vid kollisionerna, de bör inte längre väsentligt påverka modellens teoretiska ram, "säger doktoranden Miroslaw Kielbowicz (IFJ PAN).

Efter att ha utvecklat modellen för kollisioner av tegelstackar, 'IFJ PAN -forskarna upptäckte att en mycket liknande teoretisk struktur, kallad 'brandstreak -modellen, 'hade redan föreslagits av en grupp fysiker från Lawrence Berkeley Laboratory (USA) och Saclay Nuclear Research Center i Frankrike 1978.

"Den tidigare modellen av brandränder som, faktiskt, vi nämner i vår publikation, byggdes för att beskriva andra kollisioner som uppstår vid lägre energier. Vi har skapat vår struktur oberoende och för ett annat energiområde, "säger prof. Antoni Szczurek (IFJ PAN, University of Rzeszow) och betonar:"Existensen av två oberoende modeller baserade på en liknande fysisk idé och motsvarande mätningar i olika energiområden för kollisioner ökar sannolikheten för att den fysiska grunden för vilken dessa modeller är byggda är korrekt."

Krakow-eldsmodellen ger ny information om expansionen av kvark-gluonplasma i högenergikollisioner av massiva atomkärnor. Studiet av dessa fenomen utökas ytterligare inom ramen för ett annat internationellt experiment, NA61/SHINE vid SPS -acceleratorn.