Aprak csepp kvark-gluon plazma szintén alakul ki aszimmetrikus nukleáris ütközésekben • Igor Ivanov • Tudományos hírek a "Elemek" • Nukleáris ütközések, fizika

A kvark-gluon plazma apró cseppjei aszimmetrikus nukleáris ütközésekben is kialakulnak.

Ábra. 1. Elméleti modellezés arra vonatkozóan, hogy a kvark-gluon plazma háromszögletű zónája hogyan növekszik a helium-3 és egy nehéz mag felhalmozódása után. Ábra: J. L. Nagle és munkatársai, 2014. A belső háromszög geometria kihasználása a relativizmusban 3Ő + Au ütközés a közepes tulajdonságok elkülönítésére

Eddig a kvark-gluon plazmát a fizikusok csak két nehéz nagy energiájú atommag ütközésében tapasztalták. Úgy vélték, hogy aszimmetrikus ütközések esetén, amikor egy nagyon könnyű mag súlyos ütést okoz, a kvark-gluon plazmához szükséges feltételek nem érhetők el. Azonban a PHENIX-együttműködés, miután tanulmányozta a helium-3 és az aranymagok ütközését, azt állítja, hogy a plazma itt is létrejött, de csak kis, szubnukleáris kötetekben. Ezek az eredmények megerősítik a teoretikusok elméleteit arról, hogy ez hogyan történhet. Együttműködés cikk a folyóiratban Fizikai felülvizsgálati levelekés előzetes verziója elérhető az elektronikus preprintek archívumában arxiv.org.

A Quark-gluon plazma olyan kölcsönhatásba lépő nukleáris anyagállapot, amelyben az egyes protonok és neutronok feloldódnak egymásba, és alkotó kvarkjaik szabad térben térnek el. A nukleáris anyag ilyen állapota elég nagy nyomáson és hőmérsékleten (kb. 2 billió fokon, ami az energiaegységekben 200 MW teljesítménynek felel meg) megy végbe.Az Univerzum ilyen állapotban volt egy mikroszekundum után a Big Bang után, és körülbelül ugyanannak az államnak a létezése még mindig létezik néhány neutroncsillag közepén. Ráadásul az erős kölcsönhatásban lévő anyag elmélete azt mutatja, hogy a kvark-gluon plazmának mint folyadéknak, nem gáznak kell viselkednie. Pozíciója a nyomás-hőmérséklet diagramon és tulajdonságainak részletes leírása különös kihívást jelent az erős kölcsönhatások modern elméletének. Ezért kísérleti tanulmánya lehetővé teszi nemcsak a "korai univerzumban", vagy a neutron csillagok mélységében való "megjelenést", hanem azért is, hogy jobban megértsük, hogyan rendeződik az erős kölcsönhatás általában, beleértve a belső normál magokat is.

Erre a célra a nagy energiájú, nagy teljesítményű magok speciális ütközőkkel ütköznek. Az ilyen kísérleteket a 80-90-es években végezték a CERN-en, az SPS gyorsítóján, és a századfordulón az anyag új állapotának első jelei mutatkoztak benne. Ezután a bajnokságot az RHIC nehéz ionok amerikai ütköztetője foglalta el, amelyen a 2000-es évek elején végül megnyílt a kvark-gluon plazma. Ráadásul 2005-ben meglepõ módon kiderült, hogy a kvark-gluon plazma nem csak folyadékként, hanem ideális folyadékként viselkedik,azaz szinte nulla viszkozitás – és ez azonnal a gondolkodóknak adta a teoretikusokat. Végül a közelmúltban a nagyméretű hadron ütköző belépett a játékba, ami néha a nehéz magok ütközésének módjában is működik.

Meg kell mondani, hogy sok kísérlet ellenére sokáig nem lehetett egyértelműen bizonyítani, hogy a kvark-gluon plazma valóban nukleáris ütközésekben fordul elő, még akkor is, ha egy pillanatra tíz évig tart. A probléma itt az, hogy a kvark-gluon plazma azonnal kibontva és lehűlve különálló hadronokká válik. Minden irányban elrepülnek, az érzékelő regisztrálja őket, és helyreállítja az expanzió átfogó képet, de nem tudja egyszerűen meghatároznia, vajon azonnal született-e egy hadron gáz formájában, vagy átjutott-e egy forró folyadék színpadán.

Határozza meg a kvark-gluon plazma kialakulását különböző módon. Először is, a hideg nukleáris "cseppek" belül hidrodinamikus áramlásokra van szükség. Miután a plazma hadronokba szétesik, akkor hadron elliptikus áramlások és összetettebb alakok formájában kell megjelenni (1. és 2. ábra).Vannak olyan finomabb hatások is, mint például a fúvókák lefújása, amikor megpróbálnak átfésülni egy kvark-gluon plazmán és a hadronok forró plazmában történő megolvasztását.

Ábra. 2. Az elliptikus áramlás ábrája a keresztirányú síkban. A bal oldalon: egy elliptikus áramlás vezet ahhoz a tényhez, hogy a részecskék inkább a keresztirányú síkban valamilyen irányba repülnek – a részecskék számának az azimutális szög függvénye. jobbra: ha a kvark-gluon plazma nem keletkezik, és a részecskék egymástól függetlenül repülnek, ez a függőség eltűnik. T. Hirano és munkatársai, 2009. Hidrodinamika és áramlás

Amikor a 2000-es évek elején a nehéz ionok ütköztetője az RHIC különböző magokat nyomott, a PHENIX és a STAR együttműködései egy kvark-gluon plazmát mutattak ki két aranymag (Au + Au) ütközésében, de nem látták őket a legkönnyebb deutériummag aszimmetrikus ütközésében arany (d + Au). Ezt a következőképpen értelmezték: a plazma megjelenéséhez szükséges, hogy a "magot" elég energiává tegyék, hogy a protonok és a neutronok a nukleuszban olvashatók legyenek. Az Au + Au ütközése felülmúlja ezt a küszöböt, de a d + Au nem.

2011-2012-ben a PHENIX érzékelő jelentősen bővült, új alkatrészeket telepítettek benne,amely lehetővé tette számomra, hogy több adatot gyűjtsenek össze a front-to-head ütközésekben, és jobban mérje a hadronok tulajdonságait. 2013-ban az új d + Au ütközések már régóta mutatták meg a kvark-gluon plazma nyomainak hasonló kollektív hatásait. Igen, és a Large Hadron Collider, melynek protonja volt az ólommaggal érintkezve, felfedte a hadronok bizonyos korrelációit is. Mindezek az új adatok valahogy nem voltak túlságosan kötve az általános állítással, hogy ilyen aszimmetrikus ütközések esetén a felszabaduló energia nem elég ahhoz, hogy megolvadjon a mag.

A fizikusok ezt a nem teljesen világos mintát megvitatták: lehet, hogy a nucleus olvadása és a kvark-gluon plazma kialakulása nem a teljes magban, hanem csak egy kis "forró zónában" fordul elő, a protonnak a magra gyakorolt ​​közvetlen hatása helyett? 2014-ben egy konkrét javaslatot tettek közzé ezen elképzelés tesztelésére (J.L. Nagle et al., 2014. A belső háromszög geometria kihasználása a relativizmusban 3Ő + Au ütközés a közepes tulajdonságok leválasztásához). A szerzők azt javasolják, hogy a kísérletezők számos kísérletet végezzenek a proton, a deuteron és a helium-3 nehéz nukleuszával való ütközésére, és mérjék meg a szóródási hadronok azimutális jellemzőit.

Ha az egyes nagyenergiájú nukleonok a magra gyakorolt ​​hatása ténylegesen egy kvark-gluon plazma csatornát képez, akkor az olvasztási zóna a 6. ábrán látható lesz. 3. Ez azt jelenti, hogy a protonról a deuteronná való átmenet drámaian megnöveli az elliptikus áramlást, és a helium-3 – "háromszög" átmenet alatt. Ábrán. Az 1. ábra elméleti szimuláció eredményeit mutatja, hogy a jelenlegi kvark-gluon plazma hogyan bővül, és milyen sebességgel fogják fel a hadronok a bomlás után. A számítások azt mutatták, hogy egy ilyen háromszög alakú áramlásnak akkor is meg kell jelennie, ha a tágulás során a mag meg nem olvadt részein kell átjutnia. Ha a korrelációk nem kapcsolódnak a kvark-gluon plazma kialakulásához, hanem felmerülnek például a magok különleges állapotának következtében az ütközés előtt (pl. Mint a plazmamintában), akkor ilyen erős mintát nem szabad megfigyelni.

Ábra. 3. A proton, a deuteron és a helium-3 ütközésének geometriája nehéz maggal. Sötétkék megmutatja az állítólagos "forró zónákat" – apró csepp kvark-gluon plazmát a magban. Ábra D. McGlinchey, 2014 jelentéséből. A belső háromszög geometria kihasználása a relativizmusban 3Ő + Au ütközés a közepes tulajdonságok elkülönítésére

Nemrégiben a PHENIX kísérlet végezte a három javasolt kísérlet kulcsait (a d + Au adat már elérhető, a p + Au pedig később jelenik meg).A hélium-3 aranymagokkal való ütközése során az RHIC ütközőben 2014-ben mintegy félmilliárd olyan esemény került felhalmozódásra, amelyek nagyszámú részecskével halmozódtak fel, ami a fej-on ütközéseknek felel meg. Az azimult szög és a keresztirányú lendület által termelt részecskék eloszlását nagyon nagy pontossággal mértük, ami lehetővé tette az elliptikus és a háromszög alakú áramlások leírására alkalmas komponensek megbízható elkülönítését. A szisztematikus hibák kiküszöbölése érdekében hasonlítottunk össze a proton-proton ütközés során ugyanazon ütköző korábbi eredményei között, ahol nem lehetett elliptikus és háromszög alakú áramlás.

Ábrán. A 4. ábra mutatja az elliptikus és a háromszög alakú áramlások ütközéskor történő mérésének eredményeit. 3Ő + Au. Intenzitásukat v koefficiensek jellemzik.2 és v3. A kvark-gluon plazma kialakulásának és elterjedésének hidrodinamikai áramlásait figyelembe vevő különböző modellek előrejelzéseivel összhangban mindkét együtthatók a hadronok keresztirányú lendülete növekedésével nőnek. Vannak különbségek ezek között a modellek között, de mindegyikük, kivéve az egyiket, helyesen reprodukálja a trendet.Az adatoknak a kvark-gluon plazma figyelembevétele nélkül történő leírására való törekvések sokkal alacsonyabb értékeket adnának a háromszög alakú áramlásra.

Ábra. 4. V értékeket2 és v3leírva az elliptikus és a háromszög hadron áramlatokat központi 3Ő + Au ütközések, a hadronok keresztirányú lendületeitől függően. Szín görbék és csíkok bemutatják a különböző modellek előrejelzéseit; mindegyikük figyelembe veszi a kvark-gluon plazma kialakulását és kiterjedését. Kép a cikkből a vita során PRL

A megkötött megállapodás erős jelzi, hogy abban az esetben, amikor a számláló-nukleon – függetlenül attól, hogy egy vagy a számlálóegység összetételében – a nagy energiába merül-e a magba, az ütközési ponton megolvasztja a nukleáris anyagot. Egy pillanatig apró csepp kvark-gluon plazma formálódik ott. Ha a számlálómag nagy, akkor ezek a cseppek teljesen összeolvadnak és a magok olvadásához vezetnek – ez pontosan az, amit korábban megfigyeltünk. De még ha a mag is kicsi, mint a helium-3 esetén, akkor is megtörténik a helyi olvadás, csak egy csepp kvark-gluon plazma maradt apró, szubnukleáris skálát. Ily módon a relativisztikus magok ütközésének már összetett, többlépcsős képét egy további részlet egészíti ki.

Mindez nagyon érdekesnek tűnik, és felteszi a kérdést: mi a minimális nukleáris rendszer, amelyben a kvark-gluon plazma előfordulhat? Egyszerűen, mi a legkisebb csepp kvark-gluon plazma? Ha ütközéskor fordul elő 3Ő + Au, lehet-e kialakítani erős proton hatással a nehéz magra? És az ultrahigh energiák két protonjának ütközésében? És ez a kíváncsi gerinc a hadronok eloszlásában olyan eseményeknél, amelyekben rendkívül nagyszámú született hadron található, és amelyet a nagyméretű Hadron Collider 2010-ben találtak, nem feltétlenül kapcsolódik a kvark-gluon plazmához?

Mindezek a kérdések egy csoportba oszthatók: a kollektív hatások eredetére vonatkozó kérdések a kis hadron kollektívákban. Most egyre inkább érdekli a fizikus; elég megemlíteni a PHENIX e témával kapcsolatos legutóbbi rövid áttekintését, valamint azt a tényt, hogy a Quark Matter 2015 konferencián ez a kérdéscsoport egy külön fejezetbe került. A PHENIX és más kísérletek jövőbeli eredményei, valamint a kifinomultabb elméleti számítások együttesen lehetővé teszik számukra jobb kezelésüket.

Forrás: A. Adare és mtsai. (PHENIX Collaboration).Ellipszis és háromszög alakú áramlások nagymértékű mérése 3Ő + Au ütközések sqrt (s) = 200 GeV // Phys. Rev. Lett. V. 115. 142301 (2015. szeptember 28.); A cikk az e-nyomtatványok archívumában is elérhető.

Lásd még:
1) I.M. Dremin, A. V. Leonidov. Quark-gluon környezet // UFN. 180, 1167-1196 (2010).
2) A QGP felfedezése – kapcsolatok kiválasztása a kvark-gluon plazma felfedezésére.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: