Large Hadron Collider (LHC) vid CERN kolliderar vanligtvis protoner tillsammans. Det är dessa proton -proton kollisioner som ledde till upptäckten av Higgs boson 2012. Men världens största accelerator var också utformad för att krossa ihop tunga joner, främst kärnorna i blyatomer, och det gör det varje år i ungefär en månad. Och av minst två goda skäl. Först, tungjonkollisioner vid LHC återskapar i laboratorieförhållanden plasma av kvarker och gluoner som man tror har funnits strax efter Big Bang. Andra, kollisionerna kan användas för att testa och studera, vid de högsta konstgjorda temperaturerna och densiteterna, grundläggande förutsägelser av kvantkromodynamik, teorin om den starka kraft som binder kvarker och gluoner samman till protoner och neutroner och slutligen alla atomkärnor.

LHC var inte den första maskinen som återskapade Big Bang -materia:redan 2000, experiment på Super Proton Synchrotron vid CERN fann övertygande bevis på kvark -gluonplasma. Ungefär fem år senare, experiment vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) vid Brookhaven National Laboratory i USA startade en tid med detaljerad undersökning av kvark -gluonplasma. Dock, under de tio åren sedan den uppnådde kollisioner vid högre energier än sina föregångare, LHC har tagit studier av kvark -gluonplasma till otroliga nya höjder. Genom att producera en hetare, tätare och längre livslängd kvark-gluonplasma samt ett större antal och sortiment av partiklar för att undersöka dess egenskaper och effekter, LHC har gjort det möjligt för fysiker att studera kvark -gluonplasma med en oöverträffad detaljnivå. Vad mer, maskinen har levererat några överraskande resultat längs vägen, stimulera nya teoretiska studier av detta tillstånd.

"I den ultimata läroboken om teorin om det starka samspelet, kapitlet om kvark -gluonplasma kommer att fyllas med siffror av LHC -data, "säger ALICE -experimentets talesperson Luciano Musa.

"Dessa siffror utmärker sig i dataprecision och kinematisk räckvidd, och de är de första som informerar oss om hur kvark-gluonplasmaliknande egenskaper växer fram gradvis när man övergår från proton-proton till tungkollisioner. "

Kraftig kollisionskurs

När tunga kärnor slår in i varandra i LHC, hundratals protoner och neutroner som utgör kärnorna släpper ut en stor del av sin energi till en liten volym, skapa en eldboll av kvarker och gluoner. Dessa små bitar av kvark -gluonplasma finns bara under flyktiga stunder, med de enskilda kvarkerna och gluonerna, gemensamt känd som partoner, bildar snabbt sammansatta partiklar och antipartiklar som flyger ut i alla riktningar. Genom att studera zoo av partiklar som producerades i kollisionerna - innan, under och efter att plasma skapats - forskare kan studera plasma från det att det produceras till det ögonblick det svalnar och viker för ett tillstånd där sammansatta partiklar som kallas hadroner kan bildas. Dock, plasma kan inte observeras direkt. Dess närvaro och egenskaper härleds från de experimentella signaturer som den lämnar på partiklarna som produceras i kollisionerna och deras jämförelse med teoretiska modeller.

Sådana studier kan delas in i två olika kategorier. Den första typen av undersökningar undersöker tusentals partiklar som kommer från en kraftig jonkollision kollektivt, tillhandahålla information om det globala, makroskopiska egenskaper hos kvark-gluonplasma. Den andra typen fokuserar på olika typer av partiklar med stor massa eller fart, som produceras mer sällan och erbjuder ett fönster in i det inre, mikroskopiska funktioner av mediet.

På LHC, dessa studier genomförs av samarbetena bakom alla fyra huvudsakliga LHC -experimenten:ALICE, ATLAS, CMS och LHCb. Även om ALICE ursprungligen var särskilt utformat för att undersöka kvark -gluonplasma, de andra tre experimenten har också sedan anslutit sig till denna undersökning.

Globala fastigheter

LHC har levererat data som har gjort det möjligt för forskare att härleda med högre precision än tidigare uppnått flera globala egenskaper hos mediet.

"Om vi ​​lyssnar på två olika musikinstrument med slutna ögon, vi kan skilja mellan instrumenten även när de spelar samma ton. Anledningen är att en ton kommer med en uppsättning övertoner som ger instrumentet ett unikt distinkt ljud. Detta är bara ett exempel på hur enkla men kraftfulla övertoner är för att identifiera materialegenskaper. Tungjonfysiker har lärt sig hur man använder "övertoner" i sin studie av kvark-gluonplasma. Det inledande skedet av en kraftig jonkollision ger ringar i plasma som rör sig genom mediet och väcker övertoner. Sådana övertoner kan mätas genom att analysera det kollektiva flödet av partiklar som flyger ut ur plasma och når detektorerna. Medan tidigare mätningar endast hade avslöjat de första indikationerna på dessa övertoner, LHC -experimenten har kartlagt dem i detalj. I kombination med andra framsteg i precision, dessa data har använts av teoretiker för att karakterisera plasmas egenskaper, som dess temperatur, energitäthet och friktionsmotstånd, som är mindre än för någon annan känd vätska, "förklarar Wiedemann.

Dessa fynd har sedan stötts på flera sätt. Till exempel, ALICE -samarbetet uppskattade temperaturen på plasman genom att studera fotoner som avges av den heta eldboll. Uppskattad temperatur, cirka 300 MeV (1 MeV är cirka 10 ¹⁰ kelvin), är över den förutsagda temperaturen som krävs för att plasma ska skapas (cirka 160 MeV), och är cirka 40% högre än den som erhålls av RHIC -kollideraren.

Ett annat exempel är uppskattningen av plasmas energitäthet i det inledande skedet av kollisionerna. ALICE och CMS erhöll ett värde i intervallet 12 till 14 GeV per kubikfemtometre (1 femtometre är 10 ^-15 meter), ungefär två till tre gånger högre än det som bestäms av RHIC, och igen över den förutsagda energitätheten som behövs för att plasma ska bildas (cirka 1 GeV/fm ³ ).

LHC har levererat inte bara fler partiklar utan också mer varierade typer av partiklar för att mäta kvark -gluonplasma.

"LHC har gett oss tillgång till en mycket bred palett av sonder, "säger ALICE fysikkoordinator Andrea Dainese.

"Tillsammans med toppmoderna partikeldetektorer som täcker mer område runt kollisionspunkterna samt sofistikerade metoder för att identifiera och spåra partiklar, Denna breda palett har erbjudit en aldrig tidigare skådad inblick i det inre arbetet och effekterna av kvark -gluonplasma. "

För att ge några exempel, strax efter att LHC startade, ATLAS och CMS gjorde den första direkta observationen av fenomenet jetsläckning, där strålar av partiklar som bildas i kollisionerna förlorar energi när de passerar kvark -gluonplasmamediet. Samarbetena fann en slående obalans i energin hos jetplan, med en stråle nästan helt absorberad av mediet.

Ett annat exempel gäller tunga kvarkar. Sådana partiklar är utmärkta sonder för kvark-gluonplasma eftersom de produceras i de inledande stadierna av en tungjonkollision och därför upplever hela utvecklingen av plasma. ALICE -samarbetet har nyligen visat att tunga kvarker "känner" formen och storleken på kvark -gluonplasma, indikerar att även de tyngsta kvarkerna rör sig med mediet, som mestadels är gjord av lätta kvarker och gluoner.

LHC -experimenten, i synnerhet ALICE och CMS, har också väsentligt förbättrat vår förståelse av den hierarkiska "smältningen" i plasma av bundna tillstånd av en tung kvark och dess antikvark, kallas quarkonia. Ju mer svagt bundna staterna är, ju lättare de kommer att smälta, och som ett resultat desto mindre kommer de att bli. CMS var den första som observerade detta så kallade hierarkiska undertryckande för bottomoniumtillstånd, som består av en bottenkvark och dess antikvark. Och ALICE avslöjade att medan den vanligaste formen av charmonium anger, som består av en charmkvark och dess antikvitet, är starkt undertryckt på grund av plasmaeffekten, det regenereras också genom rekombination av charmkvarker och antikvarker. Detta rekombinationsfenomen, observerades för första gången vid LHC, ger en viktig testplats för teoretiska modeller och fenomenologi, som utgör en länk mellan de teoretiska modellerna och experimentella data.

Överraskningar i mindre system

LHC -data har också avslöjat oväntade resultat. Till exempel, ALICE -samarbetet visade att den ökade produktionen av konstiga hadroner (partiklar som innehåller minst en konstig kvark), som traditionellt ses som en signatur för kvark-gluonplasma, uppstår gradvis vid proton -proton och proton -bly -kollisioner som antalet partiklar som produceras i kollisionerna, eller "mångfald", ökar.

Ett annat exempel är den gradvisa början av en flödesliknande egenskap med formen av en ås med ökande mångfald, som observerades först av CMS vid proton -proton och proton -bly kollisioner. Detta resultat stöddes ytterligare av ALICE och ATLAS-observationer av framväxten av dubbla åsfunktioner vid proton-blykollisioner.

"Upptäckten av tungjonliknande beteende vid proton-proton och proton-kärnkollisioner vid LHC är en spelväxlare, säger Wiedemann.

"LHC-data har dödat den långvariga uppfattningen att proton-proton-kollisioner producerar partiklar som strömmar fritt medan tung-jon-kollisioner producerar ett fullt utvecklat kvark-gluonplasma. Och det berättar vi i de små proton-protonkollisionssystemen det finns fler fysiska mekanismer på jobbet än man traditionellt trodde. Den nya utmaningen är att förstå, inom teorin om den starka kraften, hur plasmaliknande egenskaper av kvark-gluon växer fram gradvis med kollisionssystemets storlek. "

Detta är bara exempel på hur 10 år av LHC har mycket avancerade fysikers kunskap om kvark -gluonplasma och därmed om det tidiga universum. Och med data från maskinens andra körning som fortfarande analyseras och mer data kommer från nästa körning och High-Luminosity LHC, LHC:s efterträdare, en ännu mer detaljerad förståelse av detta unika tillstånd av materia kommer säkert att dyka upp, kanske med nya överraskningar i mixen.

"Det kommande decenniet vid LHC erbjuder många möjligheter för ytterligare utforskning av kvark -gluonplasma, "säger Musa." Den förväntade tiofaldiga ökningen av antalet bly -bly -kollisioner bör både öka precisionen hos mätningar av kända sonder i mediet och ge oss tillgång till nya sonder. Dessutom, vi planerar att utforska kollisioner mellan lättare kärnor, som kunde kasta ytterligare ljus över mediets natur. "