Zeichen der Sättigung treten bei Teilchenkollisionen bei RHIC auf

Nuklearphysiker, die Teilchenkollisionen am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – einer Benutzereinrichtung des Office of Science des US-Energieministeriums am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums – untersuchen, haben neue Beweise dafür, dass Teilchen, die als Gluonen bezeichnet werden, innerhalb der rasenden Ionen einen stetigen „gesättigten“ Zustand erreichen. Der Beweis ist die Unterdrückung von Rücken-an-Rücken-Partikelpaaren, die aus Kollisionen zwischen Protonen und schwereren Ionen (den Kernen von Atomen) entstehen, wie vom STAR-Detektor von RHIC verfolgt. In einer soeben erschienenen Arbeit in Briefe zur körperlichen Überprüfungzeigt die STAR-Kollaboration, dass je größer der Kern ist, mit dem das Proton kollidiert, desto stärker die Unterdrückung dieser Schlüsselsignatur, wie von theoretischen Modellen der Gluon-Sättigung vorhergesagt.

„Wir haben die Art des kollidierenden Ionenstrahls variiert, weil Theoretiker vorhersagten, dass dieses Zeichen der Sättigung in schwereren Kernen leichter zu beobachten wäre“, erklärte der Physiker Xiaoxuan Chu vom Brookhaven Lab, ein Mitglied der STAR-Kollaboration, der die Analyse leitete. „Das Gute ist, dass RHIC, der flexibelste Collider der Welt, verschiedene Arten von Ionenstrahlen beschleunigen kann. In unserer Analyse haben wir Kollisionen von Protonen mit anderen Protonen, Aluminium und Gold verwendet.“

Die Sättigung sollte im Vergleich zu einfacheren Protonen in Aluminium leichter und in Gold noch leichter zu sehen sein, erklärte Chu, weil diese größeren Kerne mehr Protonen und Neutronen haben, die jeweils aus Quarks und Gluonen bestehen.

Frühere Experimente haben gezeigt, dass, wenn Ionen auf hohe Energien beschleunigt werden, Gluonen gespalten werden, eins in zwei, um sich auf sehr hohe Zahlen zu multiplizieren. Wissenschaftler vermuten jedoch, dass die Gluonenvermehrung nicht ewig weitergehen kann. Stattdessen sollten sich überlappende Gluonen in Kernen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, wo relativistische Bewegung die Kerne zu schnellen Gluon-„Pfannkuchen“ abflacht, mit der Rekombination beginnen.

„Wenn die Rate der Rekombination von zwei Gluonen zu einem die Rate der Aufspaltung einzelner Gluonen ausgleicht, erreicht die Gluonendichte einen stabilen Zustand oder ein Plateau, wo sie weder steigt noch sinkt. Das ist Sättigung“, sagte Chu. „Da es in größeren Kernen mehr Gluonen und mehr überlappende Gluonen gibt, sollten diese größeren Ionen leichter Anzeichen von Rekombination und Sättigung zeigen als kleinere“, fügte sie hinzu.

Scannen nach Back-to-Back-Paaren

Um nach diesen Anzeichen zu suchen, durchsuchten die STAR-Wissenschaftler 2015 gesammelte Daten nach Kollisionen, bei denen ein Paar „Pi-Null“-Partikel in einer Rücken-an-Rücken-Konfiguration auf das Vorwärts-Mesonen-Spektrometer von STAR traf. Rücken an Rücken bedeutet in diesem Fall 180 Grad voneinander entfernt um ein kreisförmiges Ziel am Ende des Detektors in Vorwärtsrichtung des untersuchenden Protonenstrahls. Diese Kollisionen selektieren für Wechselwirkungen zwischen einem einzelnen hochenergetischen Quark des untersuchenden Protons mit einem einzelnen Gluon mit niedrigem Impuls im Zielion (Proton, Aluminium oder Gold).

„Wir verwenden das Quark des Protons wie ein Werkzeug oder eine Sonde, um das Gluon im Inneren des anderen Ions zu untersuchen“, sagte Chu.

Das Team interessierte sich besonders für die Gluonen mit „niedrigem Impulsanteil“ – die Vielzahl von Gluonen, die jeweils einen winzigen Bruchteil des Gesamtimpulses des Kerns tragen. Experimente am HERA-Beschleuniger in Deutschland (1992–2007) haben gezeigt, dass bei hoher Energie Protonen und alle Kerne von diesen Gluonen mit niedrigem Impulsanteil dominiert werden.

Bei den Proton-Proton-Kollisionen sind die Quark-Gluon-Wechselwirkungen sehr einfach, erklärte Chu. „Die beiden Teilchen – Quark und Gluon – treffen aufeinander und erzeugen zwei Pi-Null-Teilchen Rücken an Rücken“, sagte sie.

Aber wenn ein Quark des Protons auf ein Gluon in einem größeren abgeflachten Kern trifft, wo sich viele Gluonen überlagern, können die Wechselwirkungen komplexer sein. Das Quark – oder das getroffene Gluon – könnte mehrere zusätzliche Gluonen treffen. Oder das Gluon könnte sich mit einem anderen Gluon rekombinieren und die gesamte „Erinnerung“ an seine ursprüngliche Tendenz verlieren, ein Pi-Null zu emittieren.

Beide Prozesse – Mehrfachstreuung und Gluon-Rekombination – sollten das Back-to-Back-Pi-Null-Signal „verschmieren“, erklärte Elke Aschenauer, die Leiterin der Experimentalgruppe „Cold QCD“ des Brookhaven Lab, die Details der Quantenchromodynamik (QCD) erforscht Theorie der Wechselwirkungen von Quarks und Gluonen in Protonen und Kernen.

„Also geben uns die Proton-Proton-Kollisionen eine Basislinie“, sagte Chu. „Bei diesen Kollisionen haben wir keine Sättigung, weil es nicht genug Gluonen und nicht genug Überlappung gibt. Um nach Sättigung zu suchen, vergleichen wir die Observable der Zwei-Teilchen-Korrelation über die drei Kollisionssysteme hinweg.“

Die Ergebnisse entsprechen der Theorievorhersage

Die Ergebnisse kamen genau so heraus, wie die Theorien vorhersagten, wobei die Physiker die wenigsten direkt korrelierten Teilchen beobachteten, die den Detektor bei den Proton-Gold-Kollisionen trafen, ein mittleres Niveau bei den Proton-Aluminium-Kollisionen und die höchste Korrelation beim Basislinien-Proton -Protonenkollisionen.

Die Unterdrückung der Pi-Null-Korrelation in den größeren Kernen und die Tatsache, dass die Unterdrückung stärker wird, je größer der Kern wird, sind laut den Wissenschaftlern klare Beweise für die Gluon-Rekombination, die erforderlich ist, um die Gluon-Sättigung zu erreichen.

„STAR wird diese Messungen weiterverfolgen, indem es 2024 zusätzliche Daten sammelt, indem es kürzlich aktualisierte Vorwärtsdetektorkomponenten verwendet, um andere Observable zu verfolgen, die ebenfalls sättigungsempfindlich sein sollten“, erklärte der Physiker Akio Ogawa vom Brookhaven Lab, ein Mitglied der STAR-Kollaboration und ein wichtiger Akteur Aufbau der neuen Forward STAR-Detektorsysteme.

Zusammen werden die RHIC-Ergebnisse auch eine wichtige Grundlage für sehr ähnliche Messungen am zukünftigen Electron-Ion Collider (EIC) sein, der in Brookhaven gebaut wird, um Elektronen mit Ionen zu kollidieren.

Laut Aschenauer, einem der Physiker, der die Pläne für die Forschung an dieser Einrichtung skizzierte, „wenn wir das jetzt am RHIC bei einer Kollisionsenergie von 200 Milliarden Elektronenvolt (GeV) messen, ist das sehr ähnlich der Kollisionsenergie, die wir haben werden das heißt, wir können die gleiche Observable am EIC verwenden, um zu testen, ob Rekombination und Sättigung universelle Eigenschaften der Kerne sind, wie von den Sättigungsmodellen vorhergesagt.“

Das gleiche Ergebnis in beiden Einrichtungen zu sehen, „würde beweisen, dass diese Eigenschaften nicht von der Struktur und Art der Sonde abhängen, mit der wir sie untersuchen“, sagte sie.