Новые данные из столкновений частиц в Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC), «атомном молоте» Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), показывают, как первичный суп, генерируемый при наиболее энергичных столкновениях частиц, «плещется» в стороны, когда в него попадает струя энергичных частиц.
Доказательства получены в результате первого измерения в RHIC реконструированных струй, полученных при столкновениях, идущих спина к спине с фотонами — частицами света. Учёные давно планировали использовать измерения фотонно-коррелированных струй для изучения материи, генерируемой при этих столкновениях.
Результаты, описанные в двух статьях, только что опубликованных в Physical Review Letters и Physical Review C, предлагают новое понимание этого первичного супа, известного как кварк-глюонная плазма (QGP), и ставят новые вопросы о её необычных свойствах.
Питер Джейкобс, физик из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США и член коллаборации STAR в RHIC, 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 повернуть это вспять и увидеть, что струя может рассказать нам о QGP».
Кварк-глюонная плазма
Вся Вселенная была заполнена QGP через 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 «плавят» ядра, высвобождая их внутренние строительные блоки, поэтому учёные могут изучать кварки и глюоны в том виде, в каком они существовали на заре времён.
Это непросто. QGP, создаваемая в RHIC, существует менее чем триллионную долю триллионной доли 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 — струи, которые несут информацию о плазме к детекторам 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, изучающие струи в RHIC, сосредоточили внимание на явлении, известном как гашение струи — видимом подавлении энергичных струй, выходящих из QGP. Идея состоит в том, что струи теряют энергию из-за взаимодействия с QGP.
Измерения гашения струй в RHIC
Измерения гашения струй в RHIC до настоящего времени были сосредоточены в основном на наиболее энергичных, ведущих частицах струй, поскольку их легко измерить. Однако такие ведущие частицы дают лишь ограниченное представление о процессе.
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, полученных спина к спине с фотонами.
Соавтор Саския Миодушевски, участник коллаборации STAR из Техасского университета A&M, сказала: «Поскольку фотоны вообще не взаимодействуют с QGP, их энергия, измеренная детектором, служит мерой для сравнения с энергией частиц струи, выходящих в противоположном направлении».
Миодушевски стала пионером в разработке метода прямой идентификации фотонов вместе с бывшим докторантом Ахмедом Хамедом, ныне работающим в Каирском Американском университете. Позже к работе присоединился Нихар Саху, также бывший докторант, ныне работающий в Индийском институте образования и исследований в Тирупати, и Дерек Андерсон, один из бывших аспирантов Миодушевски, который присоединится к Национальному ускорительному центру Томаса Джефферсона Министерства энергетики США 16 июня.
Для новых статей Саху предложил объединить этот метод анализа фотонов со 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 в RHIC.
«Используя тонко настроенный алгоритм идентификации фотонов и эти методы реконструкции струй, мы могли найти столкновения с энергичным фотоном, а затем реконструировать все струи спина к спине с фотоном», — сказал Андерсон, который руководил анализом вместе с Саху.
«Идентификация фотонов — непростая задача, — добавил Андерсон. — Нам нужны так называемые „прямые фотоны“ — те, которые производятся непосредственно при столкновении одновременно с энергичными струями. Но при столкновениях в 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, выходящие в пределах определённого углового окна в противоположном направлении».
Реконструкция струй с разными угловыми размерами
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 протон-протонным столкновениям, которые не генерируют QGP, так и по лобовым столкновениям золота с золотом, которые обычно генерируют первобытный суп. В каждом типе столкновения они искали струи в узком конусе, где наблюдались бы только наиболее энергичные частицы струи, и в более широком конусе, предназначенном для улавливания любых коррелированных частиц на периферии струи.
«Когда струя выходит из протон-протонного столкновения 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 с золотом, создающими 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 широкое наблюдение за конусом и точная настройка анализа позволили им уловить сигналы частиц, созданных в результате ветвления взаимодействий частиц струи с QGP. Суммирование энергии всех этих дополнительных коррелированных частиц объяснило «пропавшую» энергию гасящихся струй.
«Мы обнаружили, что энергия внутри струй распределяется более широко в столкновениях, которые производят QGP, по сравнению со столкновениями, которые этого не делают, — сказал Джейкобс. — Это похоже на то, как будто что-то плещется в стороны».
Для сравнения представьте, что вы едете на велосипеде и попадаете в лужу с водой. 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 конус с углом раскрытия в 30 градусов достаточен для восстановления большей части 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 потоком.
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 взаимодействий с плазмой».
Данные, собранные учёными из разных типов струй, дали им возможность изучить эти более тонкие характеристики.
«Все эти измерения новые, и нам придётся поработать с нашими коллегами-теоретиками, чтобы собрать все эти данные вместе и увидеть, есть ли согласованная картина», — сказала Миодушевски.
Предоставлено
Брукхейвенской национальной лабораторией
jets produced in collisions back-to-back with photons, particles of light. Scientists have long anticipated using measurements of photon-correlated jets to study the matter generated in these collisions. The findings, described in two papers just published in Physical Review Letters and Physical Review C, offer fresh insight into this primordial soup, which is known as a quark-gluon plasma (QGP)—and raise new questions about its extraordinary properties.”,”\”Measuring reconstructed jets gives us unique views of how the strongly interacting plasma responds as the jets move through it,\” said Peter Jacobs, a physicist at DOE’s Lawrence Berkeley National Laboratory and member of RHIC’s STAR Collaboration, which published these results. \”Instead of focusing on what happens to the jet, we want to turn it around and see what the jet can tell us about the QGP.\””,”The entire universe was filled with a QGP a fraction of a second after the Big Bang, before the quark and gluon building blocks of matter became bound together in protons and neutrons—and eventually atomic nuclei. The RHIC routinely creates a QGP by accelerating the nuclei of gold atoms close to the speed of light and smashing them together. The energetic collisions \”melt\” the nuclei, setting free their inner building blocks, so scientists can study the quarks and gluons as they existed at the dawn of time.”,”This is not easy. The QGP created at RHIC lasts for less than a trillionth of a trillionth of a second. There’s no time to put it under a microscope or bombard it with X-rays the way scientists who study other forms of matter do. But fortunately, the collisions that create the QGP sometimes also knock individual quarks or gluons out of the nuclei with enormous energy. These energetic scattered particles rapidly decay into cascades of correlated particles—jets—that carry information about the plasma to RHIC’s detectors.”,”\”The scattered quarks and gluons come along with the nuclei; they are inside the matter,\” Jacobs said. \”We can use them like X-ray beams to learn about the plasma.\””,”Many groups of scientists studying jets at RHIC have focused on a phenomenon known as jet quenching, an apparent suppression of energetic jets emerging from the QGP. The idea is that jets are losing energy through their interactions with the QGP.”,”RHIC’s measurements of jet quenching to date have focused primarily on the most energetic, leading jet particles, because they are straightforward to measure. However, such leading particles provide only limited insight into the process. The new results from STAR reconstruct a wider correlated spray of particles making up the jets, revealing much more detail about how the QGP is \”excited\” and responds to the jet—and where the \”lost\” energy goes.”,”The new analysis, for the first time, included the reconstruction of jets produced back-to-back with photons.”,”\”Since photons don’t interact at all with the QGP, their energy, as measured by the detector, provides a gauge for comparing with the energy of the jet particles emerging in the opposite direction,\” said co-author Saskia Mioduszewski, a STAR collaborator from Texas A&M University.”,”Mioduszewski pioneered the direct photon identification technique with former postdoc Ahmed Hamed, now at the American University of Cairo. The effort was later joined by Nihar Sahoo, also a former postdoc, now at the Indian Institute of Science Education and Research-Tirupati, and Derek Anderson, one of Mioduszewski’s former graduate students who will be joining DOE’s Thomas Jefferson National Accelerator Facility on June 16.”,”For the new papers, Sahoo proposed putting this photon analysis technique together with statistical methods developed by Jacobs and Alex Schmah, now at the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Germany, to pick up the subtle signals of even low-energy jets from the background of thousands of other particles produced in RHIC collisions.”,”\”Using the fine-tuned photon identification algorithm and these jet-reconstruction techniques, we could find collisions with an energetic photon and then reconstruct all of the jets back-to-back with the photon,\” said Anderson, who led the analysis with Sahoo.”,”\”Identifying the photons is tricky,\” Anderson added. \”We only want so-called ‘direct photons’—the ones produced directly in the collision at the same time as the energetic jets. But RHIC collisions produce a lot more photons through other processes. The shape of the signal in the STAR detector helps us identify direct photon candidates. Then we use statistical techniques to remove the not-direct photons so we can reconstruct the jets that come out within a particular angular window in the opposite direction.\””,”Crucially, the team reconstructed jets with different angular \”cone\” sizes—some more narrow, and some wider. Widening the cone through which they searched for correlated particles allowed them to observe the response of the QGP to jet excitation in a new way.”,”The team studied data from both proton-proton collisions, which do not generate a QGP, and head-on gold-gold collisions that routinely generate the primordial soup. In each type of collision, they looked for jets in a narrow cone, where only the most energetic jet particles would be observed, and a broader cone designed to catch any correlated particles on the periphery of the jet.”,”\”When a jet emerges from a proton-proton collision with no QGP forming, there should be lots of particles inside the narrow cone and very few outside it,\” Sahoo said. That’s the baseline the scientists use for comparison with the gold-gold collisions that create the QGP.”,”\”If the same particle goes through the QGP, there should be fewer energetic particles in the narrow cone. But because of all the extra interactions of the jet particles with the QGP, there should be more particles in the wider cone,\” added Sahoo.”,”This is exactly what the scientists found. The broader observation cone and fine-tuned analysis allowed them to pick up the signals of particles created through branching interactions of jet particles with the QGP. Adding up the energy of all those extra correlated particles accounted for the \”missing\” energy of the quenched jets.”,”\”We found that energy within jets is distributed more broadly in collisions that produce the QGP compared to those that do not,\” Jacobs said. \”It’s like stuff is splashing sideways.\””,”For comparison, think about riding a bike and hitting a puddle of water. As you go through the puddle, the water splashes outward, and you slow down. The bike is like the jet going through the QGP, giving up bits of energy to the sideways interactions with the plasma’s free quarks and gluons.”,”\”In both cases, the energy goes somewhere; it’s not ‘lost,’\” Jacobs said. \”What you learned in high school is still true; the energy is conserved.\””,”The measurements revealed that a cone with a 30-degree opening angle is sufficient to recover much of the initial jet energy. This sets a limit on the distance over which the QGP excitation travels. That could have implications for understanding the viscosity of the QGP, which has been described as a nearly perfect fluid with frictionless flow.”,”In addition, Mioduszewski said, \”To really characterize the energy loss and the QGP response, we need to understand how the energy loss depends on the path length, or the distance a jet travels through the plasma, and the strength of its interactions with the plasma.\””,”The data the scientists collected from different types of jets gave them clever ways to explore these more subtle characteristics.”,”\”These are all new measurements, and we’re going to have to work with our theory colleagues to put all this data together to see if there’s a consistent picture,\” Mioduszewski said.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tBrookhaven National Laboratory\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник