ALICE-samarbetet är en stor grupp forskare från över 100 fysikinstitut över hela världen som fokuserar på studier av kvark-gluonplasma med hjälp av data som samlats in av ALICE (A Large Ion Collider Experiment) -detektorn. ALICE är en tungjondetektor designad för att undersöka fysiken hos starkt interagerande materia vid extrema energitätheter, som är en del av CERN:s Large Hadron Collider (LHC) partikelacceleratorring.

Ett av huvudmålen med ALICE-experimentet är att få en bättre förståelse av egenskaperna hos kvarg-gluonplasmaformerna under högenergikollisioner mellan tunga kärnor. Experimentet har nyligen lett till ett antal intressanta observationer, beskrivs i en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , som ger det första beviset för spin-orbital vinkelmomentuminteraktioner i relativistiska kollisioner med tunga joner.

"När högenergikollisioner mellan tunga kärnor är icke-centrala (det vill säga, inte direkt), de ger den bildade plasman en mycket stor rörelsemängd, beräknas vara i storleksordningen 10 ⁷ ħ – motsvarande storleksordningen 10 ²¹ varv per sekund, " Luciano Musa, talesperson för ALICE-samarbetet, berättade för Phys.org. "I förenklat språk, en extremt snabbt snurrande droppe kvarker och gluoner bildas. Quarks, å andra sidan, har en kvantmekanisk egenskap som kallas spin, vilket är analogt med en rotation runt en axel."

Det stora vinkelmomentet hos kvarg-gluonplasman som bildas vid kollisioner med tunga joner kan vara, i viss utsträckning, överförs till individuella kvarkar, anpassa sina spinnriktningar. Denna kvantmekaniska effekt, känd som spin-orbit-interaktion, kan också observeras i andra fall, till exempel, mellan elektroner, som också har spinn och "roterar" runt atomkärnor.

"Spin-orbit interaktioner har tidigare studerats med hjälp av flera kolliderande system, men det stora vinkelmomentet hos plasman som genererades vid kollisioner av blykärnor vid LHC erbjöd en unik möjlighet att söka efter denna grundläggande kvantmekaniska effekt i ett system av avgränsade kvarkar, "Andrea Dainese, fysikkoordinator för ALICE-experimentet, berättade för Phys.org.

Enligt teoretiska förutsägelser, spin-omloppsinteraktionen i kvarg-gluonplasma bör anpassa spinnet av kvarkar, som har ett spinnkvanttal på 1/2. Kvarkarna från plasman bör sedan binda i par för att bilda mesoner med antingen spin 0 (dvs. skalära mesoner), där de två kvarkarna har motsatt spinnriktning, eller snurra 1 (dvs. vektor mesoner), där de två kvarkerna har samma rotationsorientering.

Förutsägelser tyder på att justeringen av kvarkspinn skulle resultera i en justering av vektormesonsnurr. ALICE Collaboration har observerat denna effekt, samlar de första bevisen på spinnjustering i sönderfallsprodukterna av så kallade neutrala K* och φ (phi) vektormesoner.

"Vi studerade denna spinnjustering genom att mäta vinkelfördelningen av sönderfallsprodukterna från vektormesonerna, " Musa förklarade. "Den starkaste signalen sågs för K* mesoner och bekräftelsen att signalen induceras av spinnjustering erhölls med hjälp av avsaknaden av en liknande signal för neutrala K mesoner, som har spin 0. De aktuella mätningarna är ett steg mot att experimentellt etablera spin-omloppsinteraktioner i den relativistiska QCD-materia av kvark-gluonplasman."

ALICE-samarbetet är den första forskargruppen att publicera bevis som stämmer överens med teoretiska förutsägelser om en stor spin-inriktning av vektormesoner i kollisioner av tunga kärnor. Deras mätningar är en betydande prestation i studien av kvark-gluonplasma, eftersom de stöder förutsägelsen att denna plasma har en initial virvel med oöverträffat hög vinkelmomentum, vilket leder till quark spin alignment via spin-orbit interaktioner. Deras arbete ger meningsfull insikt som skulle kunna ge information om framtida studier som undersöker egenskaperna hos kvarg-gluonplasma.

ALICE-detektorn genomgår för närvarande en stor uppgradering, och 2022, när CERN:s LHC-datainsamlingskampanjer kommer att starta igen, den ska kunna registrera Pb-Pb-kollisionsprover som är 50 gånger större än de som samlats in hittills. Dessa data kommer att vara mycket mer exakta än befintliga data och kan således leda till nya fascinerande upptäckter om kvark-gluonplasma.

"Nya studier med den laddade K*, som har ett magnetiskt moment sju gånger större än det för neutrala K*, kan till och med möjliggöra en direkt observation av effekten av det mycket stora magnetfält som produceras i kvarg-gluonplasman genom den snabba rotationen av elektriskt laddade partiklar, ", sa Dainese. "Detta magnetfält uppskattas vara så stort som 10 ¹⁴ Tesla, men försvinner på en så kort tid 10 ^-23 sekunder! Dessutom, det är också värt att notera att den neutrala K*-spinnjusteringen är förvånansvärt stor jämfört med polarisationen som uppmätts för Λ-hyperoner. Därför, ytterligare studier av effekten med mer precision kommer att vara mycket intressanta, såväl som av andra effekter som kan relatera till samma fysikmekanismer från olika vinklar."

© 2020 Science X Network