Новые данные о столкновениях частиц в Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC)
Данные, полученные на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) — «ускорителе атомов» в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), показывают, как при наиболее энергичных столкновениях частиц кварк-глюонная плазма (QGP) «плещется» в стороны при столкновении с потоком энергичных частиц.
Доказательства
Доказательства получены благодаря первому измерению на RHIC реконструированных струй, возникающих при столкновениях фотонов — частиц света. Учёные давно планировали использовать измерения фотон-коррелированных струй для изучения материи, образующейся при таких столкновениях.
Результаты, описанные в двух статьях, опубликованных в Physical Review Letters и Physical Review C, дают новое представление об этой первозданной супе, известной как кварк-глюонная плазма, и поднимают новые вопросы о её необычных свойствах.
Питер Джейкобс, физик из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США и член коллаборации STAR, которая опубликовала эти результаты, сказал: «Измерение реконструированных струй даёт нам уникальное представление о том, как сильно взаимодействующая плазма реагирует на движение струй через неё. Вместо того чтобы сосредотачиваться на том, что происходит со струёй, мы хотим посмотреть, что она может рассказать нам о QGP».
Происхождение кварк-глюонной плазмы
Вселенная была заполнена QGP долю секунды после Большого взрыва, прежде чем кварки и глюоны, строительные блоки материи, объединились в протоны и нейтроны — и, в конечном итоге, в атомные ядра.
RHIC регулярно создаёт QGP, ускоряя ядра атомов золота до скорости, близкой к скорости света, и сталкивая их друг с другом. Энергичные столкновения «расплавляют» ядра, высвобождая их внутренние строительные блоки, чтобы учёные могли изучить кварки и глюоны в том виде, в каком они существовали на заре времён.
Изучение кварк-глюонной плазмы
Это непросто. QGP, создаваемая на RHIC, существует менее чем триллионную долю триллионной секунды. Нет времени, чтобы поместить её под микроскоп или бомбардировать рентгеновскими лучами, как это делают учёные, изучающие другие формы материи. Но, к счастью, столкновения, создающие QGP, иногда также выбивают отдельные кварки или глюоны из ядер с огромной энергией. Эти энергичные рассеянные частицы быстро распадаются на каскады коррелированных частиц — струй, которые несут информацию о плазме в детекторы RHIC.
«Рассеянные кварки и глюоны приходят вместе с ядрами; они находятся внутри материи», — сказал Джейкобс. «Мы можем использовать их как рентгеновские лучи, чтобы узнать о плазме».
Многие группы учёных, изучающих струи на RHIC, сосредоточились на явлении, известном как гашение струй — видимом подавлении энергичных струй, выходящих из QGP. Идея состоит в том, что струи теряют энергию из-за взаимодействия с QGP.
Новые результаты
Новые результаты от STAR реконструируют более широкий коррелированный поток частиц, составляющих струи, раскрывая гораздо больше деталей о том, как QGP «возбуждается» и реагирует на струю — и куда уходит «потерянная» энергия.
Новый анализ впервые включил реконструкцию струй, созданных в паре с фотонами. «Поскольку фотоны вообще не взаимодействуют с QGP, их энергия, измеренная детектором, служит ориентиром для сравнения с энергией частиц струи, возникающих в противоположном направлении», — сказала соавтор Саския Миодушевски, участник коллаборации STAR из Техасского университета A&M.
Методы статистического анализа
Нихар Саху, также бывший научный сотрудник, ныне работающий в Индийском институте науки образования и исследований в Тирупати, и Дерек Андерсон, один из бывших аспирантов Миодушевски, предложили объединить технику идентификации фотонов с статистическими методами, разработанными Джейкобсом и Алексом Шмахом, ныне работающими в Центре исследований тяжёлых ионов Гельмгольца в Германии, чтобы уловить тонкие сигналы даже низкоэнергетических струй на фоне тысяч других частиц, образующихся при столкновениях на RHIC.
«Используя тонко настроенный алгоритм идентификации фотонов и эти методы реконструкции струй, мы могли найти столкновения с энергичным фотоном, а затем реконструировать все струи в паре с фотоном», — сказал Андерсон, который руководил анализом вместе с Саху.
«Идентификация фотонов — непростая задача, — добавил Андерсон. — Нам нужны так называемые «прямые фотоны» — те, что производятся непосредственно при столкновении одновременно с энергичными струями. Но при столкновениях на RHIC образуется гораздо больше фотонов в результате других процессов. Форма сигнала в детекторе STAR помогает нам идентифицировать кандидатов в прямые фотоны. Затем мы используем статистические методы для удаления непрямых фотонов, чтобы мы могли реконструировать струи, которые выходят в пределах определённого углового окна в противоположном направлении».
Выводы
Команда реконструировала струи с разными угловыми размерами «конуса» — некоторые более узкие, а некоторые более широкие. Расширение конуса, через который они искали коррелированные частицы, позволило им наблюдать реакцию QGP на возбуждение струи по-новому.
Команда изучала данные как по столкновениям протонов и протонов, которые не генерируют QGP, так и по лобовым столкновениям золота и золота, которые регулярно генерируют первобытный суп. В каждом типе столкновения они искали струи в узком конусе, где наблюдались бы только самые энергичные частицы струи, и в более широком конусе, предназначенном для улавливания любых коррелированных частиц на периферии струи.
«Когда струя выходит из столкновения протонов и протонов без образования QGP, внутри узкого конуса должно быть много частиц, а снаружи — очень мало», — сказал Саху. «Это базовый уровень, который учёные используют для сравнения со столкновениями золота и золота, которые создают QGP».
«Если та же частица проходит через QGP, в узком конусе должно быть меньше энергичных частиц. Но из-за всех дополнительных взаимодействий частиц струи с QGP в более широком конусе должно быть больше частиц», — добавил Саху.
Это именно то, что обнаружили учёные. Более широкий наблюдательный конус и точная настройка анализа позволили им уловить сигналы частиц, созданных в результате ветвящихся взаимодействий частиц струи с QGP. Суммирование энергии всех этих дополнительных коррелированных частиц объяснило «потерянную» энергию гасящихся струй.
«Мы обнаружили, что энергия внутри струй распределяется более широко в столкновениях, которые производят QGP, по сравнению с теми, которые этого не делают, — сказал Джейкобс. — Это как будто что-то разбрызгивается в стороны».
Для сравнения представьте себе езду на велосипеде и столкновение с лужей воды. Когда вы проезжаете через лужу, вода разбрызгивается в стороны, и вы замедляетесь. Велосипед похож на струю, проходящую через QGP, отдавая частички энергии в результате боковых взаимодействий с плазмой, состоящей из свободных кварков и глюонов.
«В обоих случаях энергия куда-то уходит; она не «теряется», — сказал Джейкобс. — То, что вы узнали в старшей школе, всё ещё верно; энергия сохраняется».
Измерения показали, что конуса с углом раскрытия в 30 градусов достаточно, чтобы восстановить большую часть начальной энергии струи. Это устанавливает предел расстояния, на которое распространяется возбуждение QGP. Это может иметь значение для понимания вязкости QGP, которая была описана как почти идеальная жидкость с бесфрикционным течением.
Кроме того, Миодушевски сказала: «Чтобы действительно охарактеризовать потерю энергии и реакцию QGP, нам нужно понять, как потеря энергии зависит от длины пути, или расстояния, которое струя проходит через плазму, и силы её взаимодействия с плазмой».
Данные, собранные учёными из разных типов струй, дали им новые способы изучения этих более тонких характеристик. «Это все новые измерения, и нам придётся поработать с нашими коллегами-теоретиками, чтобы собрать все эти данные вместе и посмотреть, есть ли согласованная картина», — сказала Миодушевски.
Предоставлено
Brookhaven National Laboratory