Forskare som studerar partikelkollisioner vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) har avslöjat hur vissa partikelstrålar förlorar energi när de korsar den unika formen av kärnämne som skapas i dessa kollisioner. Resultaten, publicerade i Physical Review C , bör hjälpa dem att lära sig om viktiga "transportegenskaper" hos denna heta partikelsoppa, känd som en kvarg-gluonplasma (QGP).

"Genom att titta på hur partikelstrålar saktar ner när de rör sig genom QGP kan vi lära oss om dess egenskaper på samma sätt att studera hur föremål rör sig genom vatten kan berätta något om dess densitet och viskositet", säger Raghav Kunnawalkam Elayavalli, en postdoktor. fellow vid Yale University och medlem av RHIC:s STAR-experimentsamarbete.

Men det finns flera sätt som en jet kan tappa energi på - eller "släckas". Så det kan vara svårt att avgöra vilken av dessa orsaker som skapar den släckande effekten.

Med de nya fynden har STAR för första gången identifierat en specifik population av jetstrålar för vilka fysikerna säger att de på ett distinkt sätt kan identifiera mekanismen:individuella kvarkar som avger gluoner när de interagerar med QGP.

Teoretiker kan nu använda data för att förfina sina beräkningar som beskriver grundläggande egenskaper hos den varma kvargsoppan.

"Jets är mycket användbara eftersom de berättar hur dessa kvarkar interagerar med sig själva", säger Kolja Kauder, en annan huvudförfattare på analysen, som är fysiker vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory, där RHIC finns. "Detta är kärnan i 'kvantkromodynamik' – teorin som beskriver de kärnkraftsinteraktioner som kvarkar och gluoner har. Vi lär oss mer om den grundläggande naturens kraft genom att studera hur dessa strålar släcks."

I början

Den starka kraften spelar en stor roll för att bygga upp strukturen för allt vi ser i universum idag. Det beror på att all synlig materia är gjord av atomer med protoner och neutroner i kärnan. Dessa partiklar är i sin tur uppbyggda av kvarkar, som hålls samman av utbytet av starka kraftbärarpartiklar – de limliknande gluonerna.

Men kvarkar var inte alltid bundna tillsammans. Forskare tror att kvarkar och gluoner strövade fritt mycket tidigt i universum, bara en mikrosekund efter Big Bang, innan ursoppan av materiens grundläggande byggstenar kyldes tillräckligt för att protoner och neutroner skulle bildas. RHIC, en US Department of Energy Office of Science användaranläggning för kärnfysikforskning, byggdes för att återskapa och studera denna kvarg-gluonplasma.

RHIC återskapar den tidiga universums kvarksoppa genom att styra kärnorna av tunga atomer som guld till frontalkollisioner med nästan ljusets hastighet. Energin som frigörs skapar tusentals nya subatomära partiklar, inklusive kvarkar (kom ihåg att energi kan skapa massa och vice versa genom den berömda ekvationen E=mc ² ). Den "smälter" också gränserna för de enskilda protonerna och neutronerna för att frigöra de inre kvarkarna och gluonerna.

Forskare har spårat hur olika typer av partiklar strömmar genom den resulterande kvarg-gluonplasman i mer än två decennier. Dessa inkluderar kollimerade sprayer, eller strålar, av partiklar som är ett resultat av fragmenteringen av en kvark eller gluon. Forskarna har i allmänhet funnit att partiklar med hög rörelsemängd och jetstrålar förlorar energi när de korsar klumpen av het QGP. Genom denna nya studie har de identifierat detaljer om en specifik mekanism för jetsläckning i en undergrupp av jetstrålar.

Spåra "dijeter" i olika vinklar

Denna studie fokuserade specifikt på jetstrålar av partiklar som produceras rygg mot rygg (kallade dijeter), där en jet nära ytan av QGP-blobben lätt flyr ut med mycket energi, medan rekylstrålen som färdas en längre väg i motsatt riktning får släcks av plasman. STAR-fysiker spårade energin hos partiklar som utgör "konen" av rekylstrålen. Att jämföra det med energin från det förrymda (eller "trigger") jetplanet berättar hur mycket energi som gick förlorad.

De delade också upp alla händelser i de som gav relativt smala strålar och de som gav en bredare spray av partiklar.

"Vår intuition säger oss att något bredare som rör sig genom mediet borde tappa mer energi," sa Kunnawalkam Elayavalli. "Om strålen är smal kan den liksom slå igenom och du kan förvänta dig mindre energiförlust än för en bredare stråle, som ser mer av plasman. Det var förväntningarna."

Tänk på en stor simmare som rör sig genom vattnet på ett icke-strömlinjeformat sätt, föreslog han. Du kan förvänta dig att se ett bredare vak som rör sig längre från personen än efter en smal, strömlinjeformad simmare. När det gäller partiklarna förväntade sig fysikerna att det bredare "vaket" som genererades av bredare strålar skulle trycka ut partiklar utanför gränserna för deras upptäckt.

"Men vad vi fann är att med just den här underuppsättningen av jetstrålar som vi studerade vid RHIC, spelar det ingen roll vilken öppningsvinkel jetplanen har, de förlorar alla energi på samma sätt."

För både de smala och breda jetstrålarna kan en summering av energin för alla partiklar med högt och lågt moment i "konen" stå för all energi som "försvinner" vid släckning. Det vill säga, medan dessa strålar upplevde energiförlust, i både de breda och smala strålarna, omvandlades den förlorade energin till partiklar med lägre rörelsemängd som stannade inom jetkonen.

"När jetstrålarna förlorar energi, omvandlas den förlorade energin till partiklar med lägre momentum. Du kan inte bara förlora energi, den måste bevaras," sa Brookhavens Kauder. Överraskningen var att all energi stannade inom konen.

Konsekvenserna

Resultaten har viktiga implikationer för att förstå när släckningen sker för dessa jets.

"Att inte se någon skillnad mellan de breda och smala strålarna betyder att mekanismen för energiförlust är oberoende av strålens understruktur. Energiförlusten måste ha skett innan strålarna splittrades - innan det fanns en öppningsvinkel, smal eller bred," Kunnawalkam sa Elayavalli.

Det mest troliga händelseförloppet:"Förmodligen en enda kvark som korsar plasmautstrålade gluoner (avgav energi) när den interagerade med andra kvarkar i QGP, sedan splittrades den för att producera jetsubstrukturen. Gluonerna förvandlas till andra partiklar med lägre momentum som stanna inom konen, och det är partiklarna vi mäter", sa han.

Om energiförlusten inträffade efter jetsplittringen, skulle varje partikel som utgör jetsubstrukturen ha förlorat energi, med en större sannolikhet att partiklar skulle spridas utanför jetkonen – med andra ord, bilda ett "vak" bortom området där fysikerna kunde mäta dem.

Att känna till den specifika mekanismen för energiförlust för dessa jetstrålar kommer att hjälpa teoretiker att förfina sina beräkningar av hur energiförlusten relaterar till QGP-transportegenskaperna - egenskaper som är något analoga med vattnets viskositet och densitet. Det kommer också att ge fysiker ett sätt att förstå mer om de grundläggande starka kraftinteraktionerna mellan kvarkar.

"Att få en kvantitativ förståelse av egenskaperna hos denna plasma är avgörande för att studera utvecklingen av det tidiga universum," sa Kunnawalkam Elayavalli, "inklusive hur den ursoppa av partiklar blev protonerna och neutronerna i kärnorna av atomer som utgör vår värld idag.

"Denna mätning startar i huvudsak nästa era av jetfysik vid RHIC, vilket kommer att tillåta oss att differentiellt studera rymd-tidsutvecklingen av QGP." + Utforska vidare

Första direkta observationen av död-kon-effekten i partikelfysik