Kollisioner mellan neutronstjärnor är fascinerande kosmiska händelser som leder till bildandet av många kemiska grundämnen. Temperaturerna under dessa kollisioner är exponentiellt höga, når vanligtvis upp till hundratals miljarder grader Celsius.

HADES-samarbetet, ett stort team av forskare som arbetar vid olika universitet världen över, har nyligen samlat in den allra första mätningen av den termiska elektromagnetiska strålningen som produceras under stjärnkollisioner, känd som svartkroppsstrålning, i en laboratoriemiljö. Deras studie, beskrivs i en tidning publicerad i Naturfysik , har lett till observation av temperaturer på cirka 800 miljarder grader Celsius, som är jämförbara med de som inträffar vid stjärnkollisioner.

"I vår studie, vi krossade kärnor (t.ex. guldkärnor) vid relativistiska energier direkt, "Joachim Stroth, talesperson för HADES-samarbetet, berättade för Phys.org. "Detta producerar former av materia under förhållanden som inte existerar normalt. Endast neutronstjärnor når sådana tätheter (eller till och med högre) och när neutronstjärnor smälter samman, deras temperatur kan bli lika hög som i vårt experiment. Det är därför vi kan bilda en kosmisk typ av materia i laboratoriet."

I deras studie, Stroth och hans kollegor använde HADES-detektorsystemet vid GSI/FAIR-acceleratorcentret i Darmstadt för att få ny insikt om kollisioner mellan två tunga kärnor vid relativistiska energier. Detta gjorde det möjligt för dem att samla in djupgående labbobservationer av de mikroskopiska egenskaperna hos extrema, kosmiskt liknande tillstånd av materia.

Forskarna skapade specifikt kvantkromodynamik (QCD) materia som ett övergående tillstånd genom att kollidera tunga joner vid relativistiska energier. Denna typ av materia kan existera i olika faser beroende på en rad faktorer, inklusive temperatur, tryck och baryokemisk potential.

Genom att observera tillstånden för QCD-materia, forskarna hoppades få en bättre förståelse av neuronstjärnmateria och kollisioner. En nyckelfråga som de ville undersöka var huruvida kärnornas beståndsdelar, som i huvudsak är materiens byggstenar, kan förändra sina egenskaper under extrema förhållanden.

"Vi mätte den elektromagnetiska strålningen som sänds ut från eldbollarna som bildades vid kollisionen, Stroth förklarade. Denna strålning kan berätta mycket om beståndsdelarnas egenskaper. detta är ett svårt mått att uppnå, eftersom eldkloten lever mycket kort tid (10 ^-22 s) och strålningen avges sällan."

Hadroner är sammansatta partiklar gjorda av tre kvarkar (baryon) av en antikvark och en kvark (meson) som hålls samman av den starka kraften. När dessa partiklar sönderfaller, de producerar ibland virtuella fotoner, som är fotoner som inte direkt kan detekteras eftersom deras existens bryter mot bevarandet av energi och momentum.

Dessa virtuella fotoner, som bär all information om de sönderfallna subatomära partiklarna, sönderfaller också omedelbart till elektronpar (d.v.s. en elektron och en positron). I deras studie, Stroth och hans kollegor upptäckte dessa partiklar med hjälp av en spektrometer.

"Vi observerade att temperaturen i kollisionszonen kan nå 800 miljarder grader och densiteten kan vara så hög som tre gånger kärnmättnadstätheten, ", sade Stroth. "Vi finner att under sådana förhållanden är materiens byggstenar väsentligt modifierade. Detta betyder också att materiens egenskaper är mycket olika, som om byggstenarna bara behåller sina egenskaper."

HADES-samarbetet är det första forskarteamet som framgångsrikt mäter temperaturer som liknar dem som inträffar under stjärnkollisioner i laboratoriemiljö. Detta teams fynd kan avsevärt förbättra den nuvarande vetenskapliga förståelsen av sammanslagningar av neutronstjärnor, samtidigt som den kastar ljus över produktionen av materia från elementära kvarkar och gluoner.

"Vi bygger för närvarande ett efterföljande experiment för HADES som kommer att drivas på den nya FAIR-anläggningen med start 2025, ", sa Stroth. "Med den här detektorn kommer vi att kunna utöka mätningarna till högre temperaturer och densitet."

© 2019 Science X Network