Genom att reta ut signaturer av partiklar som sönderfaller bara tiondels millimeter från mitten av en biljard graders eldboll som efterliknar det tidiga universum, kärnfysiker som krossar atomer vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) avslöjar nya detaljer om de grundläggande partiklarna som utgör vår värld.

Partikelkollisioner vid RHIC-ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility som ligger vid DOE:s Brookhaven National Laboratory-återskapar regelbundet små specifikationer för kvark-gluonplasma (QGP), en blandning av kvarker och gluoner, de grundläggande byggstenarna för synlig materia, som senast existerade som fria partiklar för cirka 14 miljarder år sedan. Kollisionerna befriar kvarkerna och gluonerna från att de är inneslutna i vanliga partiklar (t.ex. protoner och neutroner) så kärnfysiker kan studera deras interaktioner och kraften som håller dem samman i universum idag.

De nya mätningarna, beskrivs i en tidning som just publicerades i Fysiska granskningsbrev , är de första som kommer från en precisionsuppgradering till RHIC:s STAR -detektor som kallas "Heavy Flavor Tracker" (HFT). Specifikt, tidningen ger detaljer om den första direktmätningen vid RHIC av hur en typ av tung partikel som innehåller en "charm" -kvark fastnar i flödet av den expanderande eldboll. Denna mätning - ett bevis på HFT:s kapacitet - ger forskare ett nytt fönster för att förstå interaktionerna mellan partiklarna som utgör den subatomära soppan.

"Genom att jämföra våra mätningar med teoretiska förutsägelser som inkluderar de olika parametrarna som spelar en roll i dessa interaktioner - saker som diffusionskoefficienten (hur snabbt charmkvarkarna sprids genom plasma) och viskositet (hur klibbig QGP är) - kan vi lära oss om hur dessa olika egenskaper förhåller sig till varandra, och slutligen varför QGP beter sig som det gör, "sa Brookhaven -fysikern Flemming Videbaek, projektledaren som ansvarar för den övergripande tillverkningen av STAR HFT.

Spårning av precisionspartiklar

Partiklar som innehåller tunga kvarkar anses vara ideala sonder för att förstå kvark-gluonplasma eftersom de kan interagera annorlunda med plasma än ljusa kvarkar gör, erbjuder subtila ledtrådar om dess egenskaper. Men QGP spottar ut partiklar som innehåller tunga kvarkar bara sällan, bland tusentals andra partiklar gjorda av de lättare varianterna av kvarker. De få tunga partiklar som kommer fram sönderfaller i andra partiklar nästan omedelbart - bara en bråkdel av en millimeter från QGP -eldbollen där de skapades. Denna sällsynthet och snabba förfall gör tunga partiklar svåra att upptäcka.

STAR's HFT, en toppmodern spårningsenhet som nu sitter i mitten av den husstora detektorn, var utformad för att spåra de svårfångade men viktiga tunga partiklarna. Utvecklad av kärnfysiker vid Lawrence Berkeley National Laboratory, HFT är den första kiseldetektorn vid en kolliderare som använder Monolithic Active Pixel Sensor -teknik - samma teknik som används i digitalkameror. De ultratunna sensorerna - till skillnad från många av partikeldetekteringskomponenterna i STAR - sitter mycket nära det centrala strålröret där kollisionerna äger rum. Även om det inte är tillräckligt nära för att upptäcka själva den tunga charmkvarken, denna plats och detektorns höga upplösning (360 miljoner pixlar på 20 x 20 mikron vardera) gör att den kan upptäcka tecken på de tunga partiklarnas förfall.

För just denna studie, STAR-fysiker spårade partiklar som kallas kaoner och pioner som dyker upp när charm-kvarkinnehållande partiklar som kallas D-nollor förfaller. En samlad insats från många grupper av samarbetet - inklusive forskare från Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Kent State University, och University of Illinois i Chicago - gjorde denna analys framgångsrik på kort tid.

"Vi använder HFT för att leta efter kaoner och pioner som ligger mycket nära varandra - inom bråkdelar av en millimeter från varandra - vars vägar från kollisionen kommer från en enda punkt som är borta från kollisionspunkten, men inte så långt, cirka 100-500 mikron, "Sa Videbaek. Det är avståndet D0s reser innan de förfaller, han förklarade. Om kaon och pion har precis rätt massa och banor som kommer från en sådan punkt, forskarna kan dra slutsatsen att de härstammar från en D0 på den platsen - och använda dessa mätningar för att spåra uppkomsten av D0 från hela QGP.

"Precisionen i vår mätning är utan motstycke, "sa Xin Dong, en fysiker vid Berkeley Lab som ledde postdocs och studenter som genomförde fysikanalysen av de tunga smakresultaten. "Det var extremt utmanande på grund av störningar från tusentals andra partiklar som producerades vid samma tunga jonkollisioner - lite som att plocka en nål ur en höstack."

Fritt flödande interaktioner

Resultaten - baserade på en analys av tiotusentals sådana "nålar" i 1,1 miljarder kollisioner - var något överraskande.

Tänk på formen som skapas när två sfäriska guldjoner kolliderar utanför mitten och bildar en avlång överlappning - ungefär som en fotboll som står på änden. STAR -fysiker hittade fler D0:or som kom från den feta delen av "fotbollen" än från dess spetsiga ändar. Detta mönster av "elliptiskt flöde" var bekant från mätningar av lättare partiklar som kom från QGP. Men kärnfysikerna trodde först inte att sådana tunga partiklar skulle fastna i flödet.

"D0s skapas i den allra första delen av kollisionen, när kvarkerna och gluonerna är fria, "Videbaek sa." Fysiker trodde inte att dessa kvarkpartiklar skulle hinna interagera, eller jämvikt, med QGP, som existerar bara en oändligt liten bråkdel av en sekund. "

Istället, det faktum att de tunga kvarkerna uppvisar samma elliptiska flöde som lättare partiklar gör är ett bevis på att de är i jämvikt, interagerar med de fria kvarkerna och gluonerna i QGP.

"Den typ av flöde vi observerade för partiklar med tunga kvarker tyder på att deras interaktioner inuti kvark-gluonplasma är så starka att de tunga kvarkarna själva blir en del av kvark-gluonsoppan, "sa Dong.

Grazyna Odyniec, ledare för Berkeley Labs program för relativistiska kärnkollisioner, Lagt till, "Upptäckten av elliptiskt flöde av en mycket massiv charmkvark är av grundläggande betydelse för vår förståelse av kvark-gluonplasmafasdynamik. Det öppnar upp ett brett spektrum av teoretiska spekulationer om arten av en möjlig mekanism (eller mekanismer) bakom detta observation."

Brookhaven Lab -fysiker och talesperson för STAR -samarbete Zhangbu Xu noterade att förmågan att spåra flödet och spridningen av de tunga partiklarna ger kärnfysiker ett nytt sätt att "se" och studera interaktionen mellan de fritt rörliga kvarkerna och gluonerna och andra egenskaper hos QGP - något analogt med hur forskare från förra seklet spårade vibrationer från pollenkorn i vatten för att lära sig om dess egenskaper.

"Einstein bevisade 1905 att det finns atomer och molekyler, och att vi kunde använda den så kallade Brownian-rörelsen av pollenkorn för att mäta egenskaperna hos vätskan och andra grundläggande fysikkonstanter, "Sa Xu." Nu kan vi använda charmkvarkarna som pollenkornen för att mäta flödet och andra egenskaper hos QGP. "