Medlemmar i STAR-samarbetet rapporterar nya data som indikerar att kärnor accelererade till mycket höga energier vid den relativistiska tunga jonkollideraren (RHIC) kan nå ett tillstånd där gluonerna börjar mättas. Kredit:Brookhaven National Laboratory
Kärnfysiker som studerar partikelkollisioner vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – en användaranläggning av US Department of Energy Office of Science vid DOE:s Brookhaven National Laboratory – har nya bevis för att partiklar som kallas gluoner når ett stadigt "mättat" tillstånd inuti de snabba jonerna. Beviset är undertryckande av rygg-mot-rygg par av partiklar som kommer från kollisioner mellan protoner och tyngre joner (atomkärnor), som spåras av RHIC:s STAR-detektor. I en artikel som just publicerats i Physical Review Letters STAR-samarbetet visar att ju större kärna protonen kolliderar med, desto större undertryckning i denna nyckelsignatur, vilket förutspåtts av teoretiska modeller för gluonmättnad.
"Vi varierade arten av den kolliderande jonstrålen eftersom teoretiker förutspådde att detta tecken på mättnad skulle vara lättare att observera i tyngre kärnor", förklarade Brookhaven Lab-fysikern Xiaoxuan Chu, en medlem av STAR-samarbetet som ledde analysen. "Det som är bra är att RHIC, världens mest flexibla kolliderare, kan accelerera olika arter av jonstrålar. I vår analys använde vi kollisioner av protoner med andra protoner, aluminium och guld."
Mättnad borde vara lättare att se i aluminium, och ännu lättare i guld, jämfört med enklare protoner, förklarade Chu, eftersom dessa större kärnor har fler protoner och neutroner, som var och en består av kvarkar och gluoner.
Tidigare experiment har visat att när joner accelereras till höga energier delas gluoner, en i två, för att multiplicera till mycket höga tal. Men forskare misstänker att gluonförökning inte kan fortsätta för evigt. I stället, i kärnor som rör sig nära ljusets hastighet, där relativistisk rörelse plattar ut kärnorna till snabba gluon-"pannkakor", bör överlappande gluoner börja rekombineras.
"Om hastigheten för två gluoner som rekombineras till en balanserar ut hastigheten för enstaka gluoner som splittras, når gluondensiteten ett stabilt tillstånd, eller platå, där den inte går upp eller ner. Det är mättnad," sade Chu. "Eftersom det finns fler gluoner och fler överlappande gluoner i större kärnor, borde dessa större joner visa tecken på rekombination och mättnad lättare än mindre," tillade hon.
Skanna efter rygg mot rygg par
För att söka efter dessa tecken skannade STAR-forskarna data som samlades in 2015 för kollisioner där ett par "pi-noll"-partiklar träffade STARs framåtmesonspektrometer i en rygg-mot-rygg-konfiguration. I detta fall betyder rygg mot rygg 180 grader från varandra runt ett cirkulärt mål vid änden av detektorn i den framåtgående riktningen för den sonderande protonstrålen. Dessa kollisioner väljer för interaktioner mellan en enstaka högenergikvark från sonderingsprotonen med en enda lågmomentum gluon i måljonen (proton, aluminium eller guld).
När kärnorna accelereras nära ljusets hastighet blir de tillplattade som pannkakor. Denna tillplattning gör att det stora antalet gluoner i kärnorna – som genereras av individuella gluoner som splittras – överlappar och rekombinerar. Om gluonrekombination balanserar ut gluonsplittring, når kärnorna ett stabilt tillstånd som kallas gluonmättnad. Kredit:Brookhaven National Laboratory
"Vi använder kvarken från protonen som ett verktyg, eller sond, för att studera gluonen inuti den andra jonen," sa Chu.
Teamet var särskilt intresserade av gluonerna med "lågt rörelsemängd" - mängden gluoner som var och en bär en liten bråkdel av kärnans totala rörelsemängd. Experiment med HERA-acceleratorn i Tyskland (1992–2007) har visat att vid hög energi domineras protoner och alla kärnor av dessa gluoner med lågt momentum.
I proton-protonkollisioner är kvark-gluon-interaktionerna mycket enkla, förklarade Chu. "De två partiklarna - kvarg och gluon - träffar varandra och genererar två pi-noll-partiklar rygg mot rygg", sa hon.
Men när en kvark från protonen träffar en gluon i en större tillplattad kärna, där många gluoner överlappar varandra, kan interaktionerna bli mer komplexa. Kvarken – eller den träffade gluonen – kan träffa flera ytterligare gluoner. Eller så kan gluonet kombineras med ett annat gluon och förlora allt "minne" av sin ursprungliga tendens att avge en pi noll.
Båda processerna – multipla spridningar och gluonrekombination – borde "smeta ut" rygg-mot-rygg pi-noll-signalen, förklarade Elke Aschenauer, ledaren för Brookhaven Labs experimentgrupp "Cold QCD", som utforskar detaljer om kvantkromodynamik (QCD). teori som styr interaktionen mellan kvarkar och gluoner i protoner och kärnor.
"Så, proton-protonkollisioner ger oss en baslinje", sa Chu. "I dessa kollisioner har vi inte mättnad eftersom det inte finns tillräckligt med gluoner och inte tillräckligt med överlappning. För att leta efter mättnad jämför vi det observerbara av tvåpartikelkorrelationen över de tre kollisionssystemen."
Resultat matchar teoriförutsägelse
STAR-forskare sökte efter tecken på mättnad vid kollisioner av en proton (svart) med en kärna (flerfärgad). Genom att spåra händelser där ett par neutrala pionpartiklar (π0) träffar en framåtriktad detektor vid rygg-mot-rygg-positioner, väljer de för interaktioner mellan en kvark med hög momentum fraktion från protonen och en låg momentum fraktion gluon från kärna. I stora kärnor såg de undertryckande av denna rygg-mot-rygg-signal. Denna undertryckning - en nyckelförutsägelse av modeller som beskriver ett mättat tillstånd av gluoner - beror sannolikt på multipla gluonspridningar och rekombination av rikligt med överlappande gluoner. Kredit:Brookhaven National Laboratory
Resultaten kom ut precis som teorierna förutspådde, med fysikerna som observerade de minsta rygg-mot-rygg-korrelerade partiklarna som träffade detektorn i proton-guld-kollisioner, en mellannivå i proton-aluminium-kollisioner och den högsta korrelationen i baslinjeprotonen. -protonkollisioner.
Undertryckandet av pi-noll-korrelationen i de större kärnorna, och det faktum att undertryckningen blir starkare ju större kärnan blir, är tydliga bevis, säger forskarna, på gluonrekombination som behövs för att nå gluonmättnad.
"STAR kommer att följa upp dessa mätningar genom att samla in ytterligare data 2024 med hjälp av nyligen uppgraderade komponenter för framåtriktade detektorer, spåra andra observerbara objekt som också borde vara känsliga för mättnad", förklarade Brookhaven Lab-fysikern Akio Ogawa, medlem i STAR-samarbetet och en nyckelspelare i bygga de nya framåtriktade STAR-detektorsystemen.
Tillsammans kommer RHIC-resultaten också att vara en viktig grund för mycket liknande mätningar vid den framtida EIC (Electron-Ion Collider), som byggs i Brookhaven för att kollidera elektroner med joner.
Enligt Aschenauer, en av fysikerna som lägger upp planerna för forskning vid den anläggningen, "Om vi mäter detta nu vid RHIC, vid en kollisionsenergi på 200 miljarder elektronvolt (GeV), är det mycket likt kollisionsenergin vi kommer att komma till EIC. Det betyder att vi kan använda samma observerbara vid EIC för att testa om rekombination och mättnad är universella egenskaper hos kärnorna, vilket förutsägs av mättnadsmodellerna."
Att se samma resultat vid båda anläggningarna, "skulle bevisa att dessa egenskaper inte beror på strukturen och typen av sonden vi använder för att studera dem", sa hon. + Utforska vidare
