Kollisioner av blykärnor sker under extrema fysiska förhållanden. Deras kurs kan beskrivas med hjälp av en modell som förutsätter att den transformerande, extremt varm materia-kvark-gluonplasma-flyter i form av hundratals ränder. Tills nu, "eldränderna" tycktes vara rent teoretiska strukturer. Dock, den senaste analysen av kollisioner av enskilda protoner förstärker hypotesen att de representerar ett verkligt fysiskt fenomen.

År 2017, fysiker från Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Krakow presenterade en modell av de fenomen som uppstår vid kollisioner av blykärnor vid höga energier som fångade fantasin. Modellen antog att det exotiska materialet som uppstår vid kollisionerna, kvark-gluonplasma, rör sig bort från slagpunkten i form av många ränder som sträcker sig längs kärnornas ursprungliga rörelseriktning. Dessa ränder rör sig snabbare ju längre bort de är från kollisionsaxeln. Nu har forskarna tillämpat modellen "brandstreck" på mycket enklare proton-protonkollisioner. När de jämförde sina förutsägelser med data som samlats in i experimenten på CERN:s europeiska kärnkraftsforskningscenter, de blev ganska förvånade.

Blykärnor innehåller över två hundra protoner och neutroner. När två så stora föremål kolliderar med en tillräckligt stor energi, uppstår en flytande blandning av kvarker och gluoner (partiklar som under normala förhållanden klumpar kvarkar i protoner och neutroner). Kvark-gluonplasma expanderar snabbt och svalnar samtidigt. Som ett resultat, den existerar så kort och i ett så litet utrymme (bara hundratals miljoner av en miljarddels meter) att vi inte direkt kan observera den. Dessutom, interaktionerna mellan plasmapartiklarna domineras av starka krafter som är så komplexa att modern fysik helt enkelt inte kan beskriva dem kvantitativt. Spår av kvark-gluonplasma kan endast ses indirekt, i partiklar som kommer från kollisionsplatsen. Teori förutser att om kvark-gluonplasma faktiskt produceras, detektorer bör registrera ett klart större antal konstiga partiklar (det vill säga de som innehåller konstiga kvarkar).

"Proton-proton-kollisionerna i CERN-acceleratorerna producerar få konstiga partiklar. Det är alltså allmänt accepterat att kvark-gluonplasma inte uppstår under dessa kollisioner. Vi tog hänsyn till detta faktum i vår modell av brandstrimmor, och sedan konfronterade vi dess förutsägelser med data från NA49 -experimentet vid SPS -acceleratorn. Efterlevnaden var påfallande bra. Så vi kan säga att vi nu har "sett" en eldsvåda under kvalitativt olika fysiska förhållanden, där vi inte förväntade oss det alls! "förklarar Dr. Andrzej Rybicki (IFJ PAN), en av författarna till publikationen i Fysisk granskning C .

"Vi var tvungna att modellera kollisionen mellan två blykärnor som en kombination av flera hundra brandstreck. Under dessa förhållanden är det svårt att kommentera egenskaperna hos en enda rad. Men när vi extraherade snabbhetsfördelningen från modellen, dvs. den relativistiska hastigheten hos partiklarna som produceras av en enda rad, det visade sig att dess form beskriver de verkliga data från partikelproduktionsmätningar vid proton-protonkollisioner mycket bra, "utarbetar Mirek Kielbowicz, Ph.D. student vid IFJ PAN.

För att göra graferna som erhållits med hjälp av eldstrimmodellen konstruerad för kollisioner av blykärnor överensstämmer med experimentella data för proton-protonkollisioner, de måste skala med en faktor 0,748. Krakowforskarna visade att denna parameter inte är gratis. Faktiskt, det visas i beräkningarna efter att ha tagit hänsyn till förändringar i energibalansen som orsakas av varierande produktion av konstiga partiklar och kan reproduceras från experimentella data. Detta var ett annat starkt argument som stödde modellens fysiska korrekthet.

"Jag arbetar med eldstrimsmodellen som en del av min magisteruppsats, så det förvånade mig inte att den beskriver data från kärnkärnkollisioner över ett stort energiområde. Dock, när jag såg att fragmenteringsfunktionen som extraherades av oss stämmer så väl överens med data från proton-protonkollisioner, det var svårt att dölja min förvåning, "påminner Lukasz Rozplochowski, en student vid Jagiellonian University som arbetar med det vetenskapliga teamet från IFJ PAN.

Frågan som härrör från proton-proton-kollisioner, svalare och kvalitativt annorlunda än kvark-gluonplasma, verkar därför bete sig som en enda eldsvåda. Några av dess egenskaper-såsom hastigheten hos de utsända partiklarna eller deras sönderfall-är av någon anledning otroligt lik egenskaperna hos eldstrimmorna i kvark-gluonplasma. Och eftersom kvark-gluonplasma bildas vid högre energier och vid kollisioner av kvantobjekt med större komplexitet, det blir legitimt att säga att det ärver några av egenskaperna hos materia som bildar brandränder vid proton-protonkollisioner.

"När vi beskrev kärnkärnkollisioner, brandränder var för oss bara abstrakta strukturer, något rent teoretiskt. Vi fördjupade oss inte i deras fysiska natur, vad de kan vara i verkligheten. Vi upplevde en verklig chock när vi kombinerade experimentella data med vår modell, vi upptäckte att det som uppstår vid proton-proton-kollisioner beter sig exakt som vår enda eldsvåda, "sammanfattar Dr Rybicki.

Resultaten av den senaste analysen, utförs av Krakowfysikerna under SONATA BIS -bidragsnr. 2014/14 / E / ST2 / 00018 från National Science Center i Polen, förstärker alltså antagandet att brandränder, enligt teorin bildad både i proton-proton- och kärna-kärnkollisioner, beror på verkliga fysiska processer som förekommer i flödesflödena av extremt het kvantmaterial.