Quark gluon plasma (QGP) är ett spännande tillstånd av materia som forskare skapar i ett laboratorium genom att kollidera med två tunga kärnor. Dessa kollisioner producerar ett QGP-brännklot. Eldklotet expanderar och svalnar enligt hydrodynamikens lagar, som styr hur vätskor beter sig under olika förhållanden. Så småningom kommer subatomära partiklar (protoner, pioner och andra hadroner, eller partiklar som består av två eller flera kvarkar) fram och observeras och räknas av detektorer som omger kollisionen.
Fluktuationer i antalet av dessa partiklar från kollision till kollision bär viktig information om QGP. Men att extrahera denna information från vad forskare kan observera är en svår uppgift. Ett tillvägagångssätt som kallas principen om maximal entropi ger en avgörande koppling mellan dessa experimentella observationer och hydrodynamiken i QGP-brännklotet.
Tillvägagångssättet beskrivs i tidskriften Physical Review Letters .
När ett QGP-brännklot expanderar och svalnar, blir det så småningom för utspätt för att beskrivas med hydrodynamik. I detta skede har QGP "hadroniserat". Detta innebär att dess energi och andra kvantegenskaper bärs av hadroner. Dessa är subatomära partiklar som protoner, neutroner och pioner som är uppbyggda av kvarkar. Hadronerna "fryser ut" - de fryser information om det slutliga hydrodynamiska tillståndet för QGP-eldklotet, vilket gör att partiklarna som strömmar från kollisionen kan föra denna information till detektorerna i ett experiment.
Forskningen ger ett verktyg för att använda simuleringar för att beräkna observerbara fluktuationer i QGP. Detta har gjort det möjligt för forskarna, från University of Illinois, Chicago, att använda freeze-out för att identifiera antydningar om en kritisk punkt mellan ett QGP-brännklot och ett gasformigt haderoniserat tillstånd. Denna kritiska punkt är en av forskarnas olösta frågor om kvantkromodynamik, teorin om de starka gluondrivna interaktionerna mellan kvarkar.
Fluktuationer i QGP bär information om regionen i QCD-fasdiagrammet där kollisionerna "fryser ut". Detta gör att koppla fluktuationer i hydrodynamik till fluktuationer av de observerade hadronerna till ett avgörande steg för att översätta experimentella mätningar till kartan över QCD-fasdiagrammet. Stora händelse-för-händelse-fluktuationer är tydliga experimentella signaturer för den kritiska punkten.
Data från programmet Run-I Beam Energy Scan (BES) vid Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) tyder på närvaron av den kritiska punkten. För att följa denna ledtråd föreslog forskarna ett nytt och universellt tillvägagångssätt för att omvandla hydrodynamiska fluktuationer till fluktuationer av hadronmultipliciteter.
Tillvägagångssättet övervinner elegant de utmaningar som tidigare försök att lösa detta problem har ställts inför. Avgörande är att det nya tillvägagångssättet baserat på principen om maximal entropi bevarar all information om fluktuationerna av bevarade kvantiteter som beskrivs av hydrodynamiken. Den nya frysningsproceduren kommer att hitta tillämpningar i de teoretiska beräkningarna av händelse-för-händelsefluktuationer och korrelationer som observerats i experiment som Beam Energy Scan-programmet vid RHIC som syftar till att kartlägga QCD-fasdiagrammet.
Mer information: Maneesha Sushama Pradeep et al, Maximum Entropy Freeze-Out of Hydrodynamic Fluctuations, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.130.162301
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av US Department of Energy
