Partiklar som kommer upp från till och med de lägsta energikollisioner av små deuteroner med stora tunga kärnor vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – en US Department of Energy Office of Science User Facility för kärnfysikforskning vid DOE:s Brookhaven National Laboratory – uppvisar beteende som forskare associerar med bildandet av en soppa av kvarkar och gluoner, de grundläggande byggstenarna i nästan all synlig materia. Dessa resultat från RHIC:s PHENIX-experiment tyder på att dessa småskaliga kollisioner kan orsaka små, kortlivade materiafläckar som efterliknar hur det tidiga universum såg ut för nästan 14 miljarder år sedan, strax efter Big Bang.

Forskare byggde RHIC, till stor del, att skapa denna "quark-gluon plasma" (QGP) så att de kunde studera dess egenskaper och lära sig hur naturens starkaste kraft för kvarkar och gluoner samman för att bilda protonerna, neutroner, och atomer som utgör det synliga universum idag. Men de förväntade sig först att se tecken på QGP endast i högenergiska kollisioner av två tunga joner som guld. De nya rönen – korrelationer i hur partiklar kommer fram från kollisioner som överensstämmer med vad fysiker har observerat i de mer energiska kollisioner med stora joner – lägger till en växande mängd bevis från RHIC och Europas Large Hadron Collider (LHC) för att QGP kan skapas även i mindre system.

PHENIX-samarbetet har lämnat in resultaten i två separata artiklar till tidskrifterna Fysiska granskningsbrev och fysisk granskning C, och kommer att presentera dessa resultat vid ett möte i Krakow, Polen den här veckan.

"Det här är de första tidningarna som kommer ut från 2016 års deuteron-guld-kollisioner, och detta är en indikation på att vi förmodligen skapar QGP i små system, sa Julia Velkovska, en biträdande talesman för PHENIX från Vanderbilt University. "Men det finns andra saker som vi har sett i de större systemen som vi ännu inte har undersökt i denna nya data. Vi kommer att leta efter andra bevis på QGP i de små systemen med olika sätt att studera egenskaperna hos systemet vi skapar, " Hon sa.

Kollektivt flöde

Ett av de tidigaste tecknen på att RHIC:s kollisioner av två guldjoner skapade QGP kom i form av "kollektivt flöde" av partiklar. Fler partiklar dök upp från "ekvatorn" av två halvöverlappande kolliderande joner än vinkelrätt mot kollisionsriktningen. Detta elliptiska flödesmönster, forskare tror, orsakas av interaktioner mellan partiklarna och den nästan "perfekta" - vilket betyder fritt rinnande - vätskeliknande QGP som skapades i kollisionerna. Sedan dess, kollisioner av mindre partiklar med tunga joner har resulterat i liknande flödesmönster vid både RHIC och LHC, om än i mindre skala. Det har också funnits bevis för att flödesmönster har ett starkt samband med den geometriska formen på projektilpartikeln som kolliderar med den större kärnan.

"Med dessa resultat i hand, vi ville prova mindre och mindre system vid olika energier, " Sa Velkovska. "Om du ändrar energin, du kan ändra tiden som systemet stannar i vätskefasen, och kanske få det att försvinna."

Med andra ord, de ville se om de kunde stänga av skapandet av QGP.

"Efter så många år har vi lärt oss att när QGP skapas i kollisionerna vet vi hur vi känner igen det, men det betyder inte att vi verkligen förstår hur det fungerar, " Sa Velkovska. "Vi försöker förstå hur det perfekta vätskebeteendet uppstår och utvecklas. Det vi gör nu – att gå ner i energi, att ändra storleken – är ett försök att lära sig hur detta beteende uppstår under olika förhållanden. RHIC är den enda kollideraren i världen som tillåter en sådan mängd studier över olika kollisionsenergier med olika kolliderande partikelarter."

Dra ner på energin

Under en period av cirka fem veckor 2016, PHENIX-teamet utforskade kollisioner av deuteroner (gjorda av en proton och en neutron) med guldjoner vid fyra olika energier (200, 62,4, 39, och 19,6 miljarder elektronvolt, eller GeV).

"Tack vare RHICs mångsidighet och förmågan hos personalen i Brookhavens Collider-Accelerator Department att snabbt växla och ställa in maskinen för olika kollisionsenergier, PHENIX kunde registrera mer än 1,5 miljarder kollisioner under denna korta tidsperiod, sa Velkovska.

För det papper som lämnats in till Kina, Darren McGlinchey, en PHENIX-samarbetspartner från Los Alamos National Laboratory, ledde en analys av hur partiklar dök upp längs kollisionernas elliptiska plan som en funktion av deras rörelsemängd, hur centrala (helt överlappande) kollisionerna var, och hur många partiklar som producerades.

"Att använda en deuteronprojektil ger en mycket elliptisk form, och vi observerade en beständighet av den initiala geometrin i partiklarna vi detekterar, även vid låg energi, " sa McGlinchey. Sådan formbeständighet kan orsakas av interaktion med en QGP skapad i dessa kollisioner. "Detta resultat är inte tillräckligt bevis för att förklara att QGP existerar, men det är ett växande bevis för det, " han sa.

Ron Belmont, en PHENIX-samarbetspartner från University of Colorado, ledde en analys av hur flödesmönstren för flera partiklar (två och fyra partiklar vid varje energi och sex vid den högsta energin) korrelerades. Dessa resultat lämnades till PRL.

"Vi hittade ett mycket liknande mönster i både två- och fyrpartikelkorrelationer för alla olika energier, och i sexpartikelkorrelationer vid högsta energi också, " sa Belmont.

"Båda resultaten överensstämmer med att partikelflödet observeras ner till lägsta energi. Så de två papperen arbetar tillsammans för att måla en fin bild, " han lade till.

Det finns andra möjliga förklaringar till fynden, inklusive den postulerade existensen av en annan form av materia känd som färgglaskondensat som tros domineras av närvaron av gluoner i hjärtat av all synlig materia.

"För att skilja färgglaskondensat från QGP, vi behöver mer detaljerade teoretiska beskrivningar av hur dessa saker ser ut, " sa Belmont.

Velkovska noterade att många nya studenter har rekryterats för att fortsätta analysen av befintliga data från PHENIX-experimentet, som slutade ta data efter körningen 2016 för att ge plats åt en förnyad detektor känd som sPHENIX.

"Det finns mycket mer att komma från PHENIX, " Hon sa.