Fysiker från Eötvös Loránd University (ELTE) har forskat om ämnet som utgör atomkärnan med hjälp av världens tre mest kraftfulla partikelacceleratorer. Deras fokus har varit att kartlägga den "ursoppa" som fyllde universum på första miljondels sekund efter dess tillkomst.
Spännande nog visade deras mätningar att observerade partiklars rörelse påminner om jakten på marina rovdjurs byte, klimatförändringarnas mönster och aktiemarknadens fluktuationer.
I den omedelbara efterdyningen av Big Bang var temperaturerna så extrema att atomkärnor inte kunde existera, inte heller nukleoner, deras byggstenar. Därför fylldes universum i det här första fallet med en "ursoppa" av kvarkar och gluoner.
När universum svalnade, genomgick detta medium en "frysning", vilket ledde till bildandet av partiklar som vi känner till idag, såsom protoner och neutroner. Detta fenomen replikeras i mycket mindre skala i experiment med partikelacceleratorer, där kollisioner mellan två kärnor skapar små droppar av kvarkmaterial. Dessa droppar övergår så småningom till den vanliga materien genom frysning, en omvandling som är känd för forskare som utför dessa experiment.
Egenskaperna hos kvarkmaterial varierar dock på grund av skillnader i tryck och temperatur som är ett resultat av kollisionsenergin i partikelacceleratorer. Denna variation kräver mätningar för att "skanna" materia i partikelacceleratorer av olika energier, Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) i USA, eller Super Proton Synchrotron (SPS) och Large Hadron Collider (LHC) i Schweiz.
"Denna aspekt är så avgörande att nya acceleratorer konstrueras över hela världen, till exempel i Tyskland eller Japan, specifikt för sådana experiment. Den kanske viktigaste frågan är hur övergången mellan faserna sker:en kritisk punkt kan dyka upp på fasen karta", förklarar Máté Csanád, professor i fysik vid institutionen för atomfysik, Eötvös Loránd University (ELTE).
Det långsiktiga målet med forskningen är att fördjupa vår förståelse för den starka växelverkan som styr växelverkan i kvarkmateria och i atomkärnor. Vår nuvarande kunskapsnivå inom detta område kan liknas vid mänsklighetens grepp om elektricitet under Volta, Maxwell eller Faradays epoker.
Även om de hade en uppfattning om de grundläggande ekvationerna, krävdes det en ansenlig mängd experimentellt och teoretiskt arbete för att utveckla teknologier som har förändrat vardagen på djupet, allt från glödlampan till tv-apparater, telefoner, datorer och internet. På samma sätt är vår förståelse av den starka interaktionen fortfarande embryonal, vilket gör forskning för att utforska och kartlägga den av avgörande betydelse.
Forskare från ELTE har varit involverade i experiment med var och en av dessa acceleratorer som nämnts ovan, och deras arbete under de senaste åren har lett till en heltäckande bild av kvarkmaterias geometri. De uppnådde detta genom tillämpning av femtoskopitekniker. Denna teknik använder de korrelationer som uppstår från den icke-klassiska, kvantliknande vågnaturen hos de producerade partiklarna, vilket i slutändan avslöjar strukturen i femtometerskala hos mediet, den partikelemitterande källan.
"Under de föregående decennierna opererades femtoskopi utifrån antagandet att kvarkmateria följer en normalfördelning, det vill säga den gaussiska formen som finns på så många platser i naturen", förklarar Márton Nagy, en av gruppens ledande forskare. De ungerska forskarna vände sig dock till Lévy-processen, som också är bekant inom olika vetenskapliga discipliner, som ett mer allmänt ramverk, och som är en bra beskrivning av marina rovdjurs jakt på bytesdjur, börsprocesser och till och med klimatförändringar.
Ett utmärkande drag för dessa processer är att de vid vissa ögonblick genomgår mycket stora förändringar (till exempel när en haj söker efter föda i ett nytt område), och i sådana fall kan en Lévy-fördelning snarare än en normal (Gauss) fördelning uppstå.
Denna forskning har stor betydelse av flera skäl. Främst är en av de mest studerade egenskaperna hos utfrysningen av kvarkmateria, dess omvandling till konventionell (hadronisk) materia, den femtoskopiska radien (även kallad HBT-radien, och noterar dess förhållande till den välkända Hanbury Brown- och Twiss-effekten i astronomi), som härrör från femtoskopiska mätningar. Denna skala beror dock på mediets antagna geometri.
Som Dániel Kincses, en postdoktor i gruppen, sammanfattar:"Om det Gaussiska antagandet inte är optimalt, så kan de mest exakta resultaten från dessa studier endast erhållas under Lévy-antagandet. Värdet av "Lévy-exponenten", som kännetecknar Lévy-fördelningen, kan också kasta ljus över fasövergångens natur. Därför ger dess variation med kollisionsenergin värdefull insikt i de olika faserna av kvarkmateria."
Forskare från ELTE deltar aktivt i fyra experiment:NA61/SHINE vid SPS-acceleratorn, PHENIX och STAR vid RHIC och CMS vid LHC. NA61/SHINE-gruppen av ELTE leds av Yoshikazu Nagai, CMS-gruppen av Gabriella Pásztor; och RHIC-grupperna av Máté Csanád, som också koordinerar ELTEs femtoskopiforskning.
Grupperna ger betydande bidrag till framgången för experiment i olika kapaciteter, allt från detektorutveckling till datainsamling och analys. De är också engagerade i många projekt och teoretisk forskning. "Det unika med vår femtoskopiforskning är att den utförs i fyra experiment i tre partikelacceleratorer - vilket ger oss en bred bild av kvarkmaterias geometri och möjliga faser", säger Máté Csanád.
Teamet presenterade sina senaste rön vid workshopen om partikelkorrelationer och femtoskopi, som hölls 6–10 november 2023. Som en del av storskaliga samarbeten har de även publicerat relaterad forskning i The European Physical Journal C , Fysikbokstäver B och Universum .
Mer information: Márton Nagy et al, En ny metod för att beräkna Bose–Einstein-korrelationsfunktioner med Coulomb sluttillståndsinteraktion, The European Physical Journal C (2023). DOI:10.1140/epjc/s10052-023-12161-y
Balázs Kórodi et al, Händelse-för-händelse undersökning av tvåpartikelkällans funktion i sNN=2,76 TeV PbPb-kollisioner med EPOS, Physics Letters B (2023). DOI:10.1016/j.physletb.2023.138295
Bálint Kurgyis et al, Coulomb Corrections for Bose–Einstein-korrelationer från en- och tredimensionella Lévy-Type Source Functions, Universum (2023). DOI:10.3390/universe9070328
Barnabás Pórfy, Femtoskopisk korrelationsmätning med symmetrisk Lévy-typkälla på NA61/SHINE, Universum (2023). DOI:10.3390/universe9070298
Ayon Mukherjee, Kaon Femtoskopi med Lévy-stabila källor från sNN=200 GeV Au+Au Collisions at RHIC, Universum (2023). DOI:10.3390/universe9070300
László Kovács, laddad Kaon-femtoskopi med Lévy-källor i sNN =200 GeV Au+Au-kollisioner vid PHENIX, Universum (2023). DOI:10.3390/universe9070336
Journalinformation: Fysikbokstäver B
Tillhandahålls av Eötvös Loránd University
