Kärnfysiker försöker förstå hur partiklar som kallas kvarkar och gluoner kombineras för att bilda hadroner, kompositpartiklar gjorda av två eller tre kvarkar. För att studera denna process, kallad hadronisering, ett team av kärnfysiker använde STAR-detektorn vid Relativistic Heavy Ion Collider – en US Department of Energy Office of Science användaranläggning för kärnfysikforskning vid DOE:s Brookhaven National Laboratory – för att mäta den relativa förekomsten av vissa två- och trekvarkhadroner skapas i energiska kollisioner av guldkärnor. Kollisionerna "smälter" tillfälligt gränserna mellan de enskilda protonerna och neutronerna som utgör guldkärnorna så att forskare kan studera hur deras inre byggstenar, kvarkar och gluoner, kombinera om.

STAR-fysikerna studerade partiklar som innehöll tunga "charm"-kvarkar, som är lättare att spåra än lättare partiklar, för att se hur mätningarna stämde överens med förutsägelser från olika förklaringar av hadronisering. Måtten, publicerad i Fysiska granskningsbrev , avslöjade många fler tre-kvarka-hadroner än vad som skulle ha förväntats av en allmänt accepterad förklaring av hadronisering som kallas fragmentering. Resultaten tyder på att, istället, kvarkar i den täta partikelsoppan som skapats vid RHIC rekombinerar mer direkt genom en mekanism som kallas koalescens.

"Hadroner gjorda av två eller tre kvarkar är byggstenarna för synlig materia i vår värld – inklusive protonerna och neutronerna som utgör kärnorna i atomerna. Men vi ser aldrig deras inre byggstenar – kvarkarna och gluonerna – som fria föremål eftersom kvarkar är alltid "inneslutna" i kompositpartiklar, sa Xin Dong, en fysiker vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) och ledare för denna analys för STAR Collaboration.

RHIC:s tunga jonkollisioner skapar ett tillstånd av materia som kallas kvark-gluonplasma (QGP), en het partikelsoppa som efterliknar hur det tidiga universum var, där kvarkar är "avgränsade, "eller befrias, från deras vanliga gränser inom kompositpartiklar som kallas hadroner.

"Genom att spåra partiklarna som strömmar ut ur RHIC:s kollisioner kan vi utforska mekanismen för hadronisering och hur den starka kärnkraften håller kvarkar instängda i vanlig materia, sa Helen Caines, professor vid Yale University och medtalesman för STAR Collaboration.

STAR-fysikerna mätte charmade hadroner (hadroner som innehåller tunga "charm"-kvarkar) med den högupplösta Heavy Flavor Tracker (HFT) installerad i mitten av den 4 meter breda Time Projection Chamber of RHIC:s STAR-detektor.

"HFT "zoomar in" på partiklar som tre-kvark charmed lambda, som avtar mindre än 0,1 millimeter från kollisionscentrum, " sa Brookhaven Lab-fysiker Flemming Videbaek, projektledaren för STAR HFT.

Genom att kombinera "träffar" i HFT med mätningar av sönderfallsprodukter längre ut i STAR-detektorn, fysiker kan räkna upp hur många tre-quark charmed lambdas kontra två-quark charmed "D-noll" (D0) partiklar som kommer från QGP.

"Vi använde en övervakad maskininlärningsteknik för att undertrycka den stora bakgrunden för detektering av charmade lambda-partiklar, sa Sooraj Radhakrishnann, en postdoktor från Kent State University och Berkeley Lab som genomförde huvudanalysen.

Resultaten från STAR räknade charmade lambdas och D0-partiklar i nästan lika antal. Det var mycket mer charmiga lambdas än vad som hade förutspåtts av en väl accepterad mekanism för hadronisering som kallas fragmentering.

"Fragmentation beskriver exakt många experimentella resultat från högenergipartikelfysikexperiment, " sa Dong. Mekanismen involverar energiska kvarkar eller gluoner som "exciterar" vakuumet och "splittrar" för att bilda kvark-antikvarkpar. Allteftersom klyvningsprocessen fortskrider, det skapar en riklig pool av kvarkar och antikvarkar som kan kombineras för att bilda två- och trekvarkar-hadroner, han förklarade.

Men fragmenteringsförklaringen förutspår att färre charmade lambda-partiklar än D0-partiklar skulle komma från tunga jonkollisioner inom det momentum som mäts vid RHIC. STARs observation av "förstärkning av charmad baryon" (som resulterar i nästan lika många charmade lambda- och D0-partiklar) stöder en alternativ mekanism för hadronisering. Känd som koalescens, denna förklaring antyder att densiteten hos RHIC:s QGP-partikelsoppa för kvarkar tillräckligt nära för att tillåta dem att rekombinera till kompositpartiklar direkt.

"STAR-resultaten tyder på att koalescens spelar en viktig roll i charmkvarkhadronisering vid kollisioner med tunga joner, åtminstone inom det momentum som uppmätts i detta experiment, "Sa Dong.

Att förstå koalescensmekanismen kan erbjuda nya insikter som hjälper till att avslöja hur kvarkar och gluoner blir instängda inom hadroner för att bygga upp strukturen hos atomkärnor - kärnan i materien som utgör allt som är synligt i vår värld.