Högenergijonkollisioner vid Large Hadron Collider kan producera ett kvarg-gluonplasma. Men är tunga atomkärnor verkligen nödvändiga för dess bildande? Och framför allt:hur föds sekundära partiklar senare från denna plasma? Ytterligare ledtrådar i sökandet efter svar på dessa frågor tillhandahålls av den senaste analysen av kollisioner mellan protoner och protoner eller joner, observerad i LHCb-experimentet.
När tunga atomkärnor kolliderar vid de högsta energierna i LHC, skapas en kvarg-gluonplasma för ett ofattbart kort ögonblick. Detta är ett exotiskt tillstånd av materia där kvarkar och gluoner, normalt fångade i protoner eller neutroner, inte längre är tätt sammanbundna. Detta tillstånd är inte permanent:när temperaturen sjunker hasroniseras kvarkarna och gluonerna snabbt, d.v.s. återbinder med varandra, vilket producerar strömmar av sekundära partiklar som divergerar i olika vinklar.
Detaljerna i hadroniseringsprocessen, ett fenomen som är avgörande för vår förståelse av den fysiska verklighetens grunder, förblir fortfarande ett mysterium. Nya ledtrådar har getts av de just avslutade analyserna av kollisioner från LHCb-experimentet, utförda med deltagande av fysiker från Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow.
Resultaten publiceras i Journal of High Energy Physics .
"Hadronisering sker i tidsskalor av yoktosekunder, d.v.s. biljondelar av en biljondels sekund, över avstånd som är femtometers storlek, d.v.s. miljondelar av en miljarddels meter. Fenomen som inträffar så extremt snabbt och på sådana mikroskopiska skalor kommer inte att vara direkt observerbara för en lång tid framöver – kanske aldrig”, förklarar prof. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN), medförfattare till tidningen.
"Vi försöker därför sluta oss till vad som händer med kvarg-gluonplasman genom att titta på vissa specifika kvantkorrelationer mellan partiklarna som produceras vid kollisioner. Vi har genomfört sådana analyser i flera år och successivt byggt upp en mer korrekt bild av fenomenet som mängden bearbetad data ökar."
Vad exakt är kvantkorrelationer? Inom kvantmekaniken beskrivs partiklar med hjälp av vågfunktioner. Om det finns många partiklar i systemet som studeras kan deras vågfunktioner överlappa varandra. Som i vanliga vågor uppstår då störningar. Om vågfunktionerna undertrycks som ett resultat talar vi om Fermi-Dirac-korrelationer, om de är förbättrade - Bose-Einstein-korrelationer. Det är dessa senare korrelationer, karakteristiska för identiska partiklar, som har uppmärksammats av forskare.
Forskarna fokuserade sin uppmärksamhet på Bose-Einstein-korrelationer som uppträder mellan par av pioner, eller pi-mesoner. Analyser av liknande typ hade redan utförts på data från andra detektorer som arbetade vid LHC-acceleratorn, men dessa handlade bara om partiklar som divergerade i stora vinklar från kollisionspunkten.
Samtidigt har den unika designen av LHCb-detektorn gjort det möjligt för fysiker att för första gången titta på partiklar som emitteras "framåt", i vinklar som inte avviker från den ursprungliga strålens riktning med högst ett dussin grader. De erhållna resultaten kompletterar alltså bilden av fenomenet som byggts upp genom mätningar i de andra experimenten vid LHC.
Valet av den "framåtriktade" riktningen var inte den enda nyheten. Analysen utfördes för så kallade små system, d.v.s. för proton-proton-, proton-jon- och jon-proton-kollisioner (de två sista fallen är inte identiska, eftersom i ett fall bara en proton rör sig med hög hastighet, medan i andra fall består kärnan av många protoner och neutroner).
Forskarna ville bland annat ta reda på om de kollektiva fenomen som observerats vid kollisioner mellan kärna och kärnor, förknippade med kvarg-gluonplasma, också kan uppträda i kollisioner av mindre system av partiklar.
"Vi utsatte de korrelationer som vi hittade för ytterligare verifiering. Vi testade till exempel hur de beror på olika variabler, såsom mångfalden av laddade partiklar. Dessutom, eftersom alla kollisioner registrerades med samma detektorer och under samma förhållanden, kunde vi dessutom kontrollera enkelt om våra korrelationer förändras under olika konfigurationer av kolliderande partikelsystem", säger Prof. Kucharczyk.
Slutsatserna av analyserna är intressanta. Allt tyder på att kvarg-gluonplasma kan produceras vid LHC även vid enstaka protonkollisioner. Samtidigt verkar källorna till sekundär partikelemission vid proton-protonkollisioner vara mindre än vid blandade kollisioner. Ett intressant samband mellan korrelationer och vinklar med avseende på strålaxeln för partiklar som producerades i kollisionerna observerades också.
"Observationen av korrelationer i små system har utlöst en diskussion om deras ursprung. Speciellt frågan om de har samma ursprung som vid kollisioner med tunga joner är spännande, och följaktligen exakt vilka villkor som krävs för att producera en kvark -gluonplasma? Vissa nuvarande modeller av denna plasma antar närvaron av kollektiva fenomen i plasman, associerade med flöden. Resultaten av våra analyser verkar vara närmare just sådana hydrodynamiska modeller, tillägger Prof. Kucharczyk.
Bara det – har vi verkligen att göra med kvarg-gluonplasmaflöden under hadronisering? För närvarande existerande teoretiska modeller av fenomenet är fenomenologiska till sin natur, vilket innebär att de måste kalibreras med data som erhållits från experiment.
Trots detta kan ingen av modellerna återge resultaten av mätningar med tillfredsställande noggrannhet. Det ser därför ut som om mycket arbete fortfarande återstår för fysiker innan den verkliga naturen hos kvarg-gluon plasmaprocesser är känd.
Mer information: Aaij, R et al, Studie av Bose-Einstein-korrelationerna mellan pioner med samma tecken i proton-blykollisioner, Journal of High Energy Physics (2023). DOI:10.1007/JHEP09(2023)172
Tillhandahålls av polska vetenskapsakademin
