Badania pokazują, w jaki sposób niektóre wysokoenergetyczne cząstki

Upton, Nowy Jork – Naukowcy badający zderzenia cząstek w Względnym Zderzaczu Ciężkich Jonów (RHIC) ujawnili, w jaki sposób niektóre cząstki dżetów tracą energię podczas przechodzenia przez unikalny kształt materii jądrowej generowanej przez te zderzenia. Wyniki publikowane są w przegląd fizyczny cpowinno pomóc im poznać kluczowe „właściwości transportowe” tej gorącej zupy cząsteczkowej, znanej jako plazma kwarkowo-gluonowa (QGP).

„Obserwując, jak dżety cząstek zwalniają, gdy poruszają się przez QGP, możemy dowiedzieć się o ich właściwościach w taki sam sposób, w jaki badanie poruszania się obiektów w wodzie może powiedzieć coś o ich gęstości i lepkości” – powiedział postdoktor Raghav Kunnawalkam Elayavalli. . Stypendysta Yale University i członek STAR Experiment Collaboration w RHIC.

Istnieje jednak kilka sposobów, w jakie samolot może tracić moc – lub „smażyć się”. Dlatego może być trudno stwierdzić, który z nich powoduje efekt chłodzenia.

Dzięki nowym odkryciom, STAR po raz pierwszy zidentyfikował specyficzny zestaw dżetów, które, jak twierdzą fizycy, mogą określić mechanizm: pojedyncze kwarki, które emitują gluony podczas interakcji z QGP.

Teoretycy mogą teraz wykorzystać te dane do udoskonalenia swoich obliczeń w celu opisania podstawowych właściwości gorącej zupy kwarkowej.

„Dżety są bardzo przydatne, ponieważ mówią nam, jak te kwarki oddziałują ze sobą” – powiedział Kolja Kauder, inny główny autor analizy, fizyk z Brookhaven National Laboratory w amerykańskim Departamencie Energii, gdzie znajduje się RHIC. To jest istota „chromodynamiki kwantowej” – teorii opisującej oddziaływania silnych sił jądrowych Kwarki i gluony. Dowiadujemy się więcej o tej fundamentalnej sile natury, badając, jak ugasić te strumienie”.

Najpierw

Potężna siła odgrywa główną rolę w budowaniu struktury wszystkiego, co widzimy dzisiaj we wszechświecie. Dzieje się tak, ponieważ cała widzialna materia składa się z atomów z protonami i neutronami w rdzeniu. Cząstki te z kolei składają się z kwarków, które są połączone ze sobą poprzez wymianę cząstek nośników sił silnych — gluonowych gluonów.

Ale kwarki nie zawsze były ze sobą połączone. Naukowcy są przekonani, że kwarki i gluony swobodnie wędrowały we wszechświecie bardzo wcześnie, zaledwie ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu, zanim elementy składowe podstawowej materii ostygły wystarczająco, by utworzyć protony i neutrony. RHIC, placówka użytkownika Biura Nauki Departamentu Energii USA do badań fizyki jądrowej, została utworzona w celu odtwarzania i badania plazmy kwarkowo-gluonowej.

RHIC odtwarza zupę kwarkową we wczesnym wszechświecie, kierując jądrami ciężkich atomów, takich jak złoto, w zderzeniach łeb w łeb z prędkością bliską prędkości światła. Uwolniona energia tworzy tysiące nowych cząstek subatomowych, w tym kwarki (pamiętaj, że energia może wytworzyć masę i vice versa ze słynnym równaniem E = mc²). Topi również granice poszczególnych protonów i neutronów, aby uwolnić kwarki i wewnętrzne gluony.

Od ponad dwóch dekad naukowcy śledzą, jak różne rodzaje cząstek przepływają przez powstałą plazmę kwarkowo-gluonową. Obejmują one rozpylanie kolimatora lub dżety cząstek wytwarzanych przez fragmentację kwarka lub gluonu. Naukowcy generalnie odkryli, że cząstki i dżety o wyższym pędzie tracą energię, gdy przechodzą przez gorący punkt QGP. Dzięki tym nowym badaniom zidentyfikowali specyficzny mechanizm chłodzenia odrzutowego w jednym podzbiorze samolotów.

Podążaj za „dietami” pod różnymi kątami

Badanie to koncentrowało się w szczególności na dżetach cząstek wytwarzanych kolejno (zwanych dijetami), w których pojedynczy dżet blisko powierzchni punktu QGP uchodzi z łatwością z dużą ilością energii, podczas gdy odrzut porusza się dłuższą drogą w przeciwnym kierunku. kierunek zostaje wygaszony przez plazmę. Fizycy gwiazd prześledzili energię cząstek, które tworzą „stożek” odrzutu. Porównanie tego z energią lotu (lub „wyzwalaczem”) mówi im, ile energii zostało utracone.

Podzielili również wszystkie zdarzenia na te, które wytwarzały stosunkowo wąskie dżety i te, które wytwarzały szerszy strumień cząstek.

„Nasza intuicja podpowiada nam, że coś szerszego poruszającego się w medium powinno stracić więcej energii” – powiedział Kunnnawalkam Elayavalli. „Jeśli samolot jest wąski, może w pewnym sensie penetrować i oczekiwać mniejszej utraty energii niż szersza płaszczyzna, która widzi więcej plazmy. Takie było oczekiwanie”.

Zaproponuj myślenie o dużym pływaku poruszającym się w wodzie w sposób nieaerodynamiczny. Można by się spodziewać, że oddala się od osoby szerszy kilwater niż chude, opływowe pięty pływaka. W przypadku cząstek fizycy spodziewali się, że szersze „przebudzenie” wytwarzane przez szersze dżety wypchnie cząstki poza granice ich wykrywalności.

„Ale odkryliśmy, że w przypadku tego konkretnego podzbioru dżetów, które badaliśmy w RHIC, nie ma znaczenia, jaki jest kąt otwarcia dżetu; wszystkie tracą energię w ten sam sposób”.

Zarówno w przypadku wąskich, jak i szerokich dżetów, energia całego pędu i Cząstki o niskim pędzie Wewnątrz „stożka” można uwzględnić całą energię „straconą” na chłodzenie. Oznacza to, że podczas gdy te dżety doświadczyły utraty energii, zarówno w dżetach szerokich, jak i wąskich, utracona energia została przekształcona w mniej cząstek pędu, które pozostały w stożku dżetu.

„Kiedy dżety tracą energię, ta utracona energia jest przekształcana w cząstki o niskim pędzie. Nie można tak po prostu stracić energii” – powiedział Koder z Brookhaven. Zaskoczeniem było to, że cała energia pozostała wewnątrz stożka.

Archeologia

Ustalenia mają ważne implikacje dla zrozumienia gdy W tych samolotach dochodzi do chłodzenia.

„Brak różnicy między szerokimi i wąskimi dżetami oznacza, że ​​mechanizm utraty energii jest niezależny od infrastruktury samolotu. Zanim Dysze rozdzieliły się — zanim pojawił się kąt otwarcia, wąski lub szeroki” — powiedział Konwalkam Eliavali.

Najbardziej prawdopodobna sekwencja wydarzeń: „Możliwe, że jeden kwark przemierza plazmowe radioaktywne gluony (uwalniając energię), gdy oddziałuje z innymi kwarkami w QGP, i wtedy Podzielony na produkcję infrastruktury odrzutowej. Gluony zamieniają się w inne cząstki o niskim pędzie, które pozostają wewnątrz stożka i są to cząstki, które mierzymy”.

W przypadku utraty zasilania po, po W rozszczepieniu dżetu każda cząstka tworząca podstrukturę dżetu traciłaby swoją energię, z większym prawdopodobieństwem, że cząstki rozprzestrzeniłyby się poza stożek dżetu – innymi słowy, utworzyłyby „przebudzenie” poza obszarem, w którym fizycy mogą je zmierzyć.

Znajomość specyficznego mechanizmu strat energii dla tych dżetów pomoże teoretykom ulepszyć ich obliczenia dotyczące relacji strat energii do właściwości transportowych QGP – właściwości nieco podobnych do lepkości i gęstości wody. Dałoby to również fizykom możliwość lepszego zrozumienia oddziaływań silnych oddziaływań podstawowych między kwarkami.

„Zdobycie ilościowego zrozumienia właściwości tej plazmy ma kluczowe znaczenie dla badania ewolucji wczesnego Wszechświata”, powiedział Kunnawalkam Elayavalli, w tym w jaki sposób zupa cząstek pierwotnych stała się protonami i neutronami jąder atomowych, które tworzą nasz dzisiejszy świat.

„Ten pomiar zasadniczo inicjuje nową erę fizyki dżetów w RHIC, co pozwoli nam różnicowo badać ewolucję czasoprzestrzeni w QGP”.

Raghav Kunnawalkam Elayavalli rozpoczął tę analizę jako doktor habilitowany na Wayne State University, współpracując z Couderem (który później opuścił Wayne State, aby dołączyć do Brookhaven) i fizykiem Wayne State Yornem Bochskym, innym głównym autorem analizy. Analizę ukończył na swoim obecnym stanowisku w Yale/Brookhaven Lab z fizykiem z Yale University Helen Kaines i fizykiem z Brookhaven Lab Lijuan Ruan — współrzecznikami STAR Collaboration — i tego lata rozpocznie rekrutację kadry pracowniczej w Vanderbilt.

Badania te były wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii (NP), które wspiera również działalność RHIC, oraz przez amerykańską Narodową Fundację Nauki i grupę międzynarodowych agencji opisanych w artykule naukowym. Współpraca STAR wykorzystywała zasoby obliczeniowe w RHIC & ATLAS Computing Facility w Brookhaven Laboratory; National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), obiekt użytkownika Biura Naukowego Departamentu Energii w Lawrence Berkeley National Laboratory; oraz konsorcjum Open Science Grid.

Brookhaven National Laboratory jest wspierane przez Biuro Nauki Departamentu Energii USA. Biuro Nauki jest największym zwolennikiem badań podstawowych w naukach fizycznych w Stanach Zjednoczonych i pracuje nad rozwiązaniem niektórych z najbardziej palących wyzwań naszych czasów. po więcej informacji odwiedź nauka.energia.gov.

Śledź BrookhavenLab na Świergot lub znajdź nas na Facebook.

Powiązane linki