Physiker verfolgen sequentielles „Schmelzen“ von Ypsilonen

Wissenschaftler, die den Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) verwenden, um einige der heißesten Materien zu untersuchen, die jemals in einem Labor erzeugt wurden, haben ihre ersten Daten veröffentlicht, die zeigen, wie drei unterschiedliche Variationen von Partikeln, die Ypsilons genannt werden, nacheinander in der heißen Gänsehaut „schmelzen“ oder dissoziieren. Die Ergebnisse, gerade veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfungstammen vom STAR-Detektor von RHIC, einem von zwei großen Teilchenverfolgungsexperimenten an dieser Benutzereinrichtung des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) für nuklearphysikalische Forschung.

Die Daten zu Ypsilonen fügen weitere Beweise hinzu, dass die Quarks und Gluonen, aus denen die heiße Materie besteht – die als Quark-Gluon-Plasma (QGP) bekannt ist – „deconfined“ oder frei von ihrer gewöhnlichen Existenz sind, eingeschlossen in anderen Teilchen wie Protonen und Neutronen. Die Ergebnisse werden den Wissenschaftlern helfen, mehr über die Eigenschaften des QGP, einschließlich seiner Temperatur, zu erfahren.

„Durch die Messung des Niveaus der Upsilon-Unterdrückung oder -Dissoziation können wir auf die Eigenschaften des QGP schließen“, sagte Rongrong Ma, Physiker am Brookhaven National Laboratory des DOE, wo sich RHIC befindet, und Koordinator für Physikanalysen der STAR-Kollaboration. „Wir können nicht genau sagen, was die durchschnittliche Temperatur des QGP allein auf dieser Messung basiert, aber diese Messung ist ein wichtiger Teil eines größeren Bildes. Wir werden diese und andere Messungen zusammenfassen, um ein klareres Verständnis dieser einzigartigen Form zu bekommen der Materie.“

Freisetzen von Quarks und Gluonen

Wissenschaftler verwenden RHIC, einen „Atomzertrümmerer“ mit einem Umfang von 2,4 Meilen, um QGP zu erzeugen und zu untersuchen, indem sie zwei Strahlen von Goldionen – Atomkernen, denen ihre Elektronen entzogen wurden – bei sehr hohen Energien beschleunigen und kollidieren lassen. Diese energetischen Smashups können die Grenzen der Protonen und Neutronen der Atome zum Schmelzen bringen, wodurch die Quarks und Gluonen im Inneren freigesetzt werden.

Eine Möglichkeit zu bestätigen, dass Kollisionen QGP erzeugt haben, besteht darin, nach Beweisen dafür zu suchen, dass die freien Quarks und Gluonen mit anderen Teilchen interagieren. Ypsilons, kurzlebige Teilchen aus einem aneinander gebundenen schweren Quark-Antiquark-Paar (Bottom-Antibottom), erweisen sich als ideale Teilchen für diese Aufgabe.

„Das Ypsilon ist ein sehr stark begrenzter Zustand; es ist schwer zu distanzieren“, sagte Zebo Tang, ein STAR-Mitarbeiter von der University of Science and Technology of China. „Aber wenn Sie es in ein QGP stecken, haben Sie so viele Quarks und Gluonen, die sowohl das Quark als auch das Antiquark umgeben, dass all diese umgebenden Wechselwirkungen mit der eigenen Quark-Antiquark-Wechselwirkung des Ypsilons konkurrieren.“

Diese „Screening“-Wechselwirkungen können das Ypsilon auseinander brechen – es effektiv schmelzen und die Anzahl der Ypsilons, die die Wissenschaftler zählen, unterdrücken.

„Wenn die Quarks und Gluonen immer noch in einzelne Protonen und Neutronen eingeschlossen wären, könnten sie nicht an den konkurrierenden Wechselwirkungen teilnehmen, die die Quark-Antiquark-Paare aufbrechen“, sagte Tang.

Upsilon-Vorteile

Wissenschaftler haben eine solche Unterdrückung anderer Quark-Antiquark-Partikel in QGP beobachtet – nämlich J/psi-Partikel (bestehend aus einem Charm-Anticharm-Paar). Aber Ypsilons unterscheiden sich von J/psi-Partikeln, sagen die STAR-Wissenschaftler, und zwar aus zwei Hauptgründen: ihrer Unfähigkeit, sich im QGP zu reformieren, und der Tatsache, dass sie in drei Arten vorkommen.

Bevor wir zum Reformieren kommen, lassen Sie uns darüber sprechen, wie sich diese Partikel bilden. Charm- und Bottom-Quarks sowie Antiquarks werden sehr früh in den Kollisionen erzeugt – sogar vor dem QGP. Im Moment des Aufpralls, wenn die kinetische Energie der kollidierenden Goldionen in einem winzigen Raum deponiert wird, löst dies die Entstehung vieler Materie- und Antimaterieteilchen aus, wenn sich Energie durch Einsteins berühmte Gleichung E = mc2 in Masse umwandelt. Die Quarks und Antiquarks schließen sich zusammen, um Ypsilons und J/psi-Partikel zu bilden, die dann mit dem neu gebildeten QGP interagieren können.

Aber weil es mehr Energie braucht, um schwerere Teilchen herzustellen, gibt es viel mehr leichtere Charm- und Anticharm-Quarks als schwerere Bottom- und Antibottom-Quarks in der Teilchensuppe. Das bedeutet, dass selbst nachdem einige J/psi-Partikel im QGP dissoziiert oder „geschmolzen“ sind, sich weiterhin andere bilden können, wenn Charm- und Anticharm-Quarks im Plasma einander finden. Bei Ypsilonen findet diese Reformation wegen der relativen Knappheit schwerer Bottom- und Antibottom-Quarks nur sehr selten statt. Sobald also ein Ypsilon dissoziiert, ist es weg.

„Es gibt einfach nicht genug Bottom-Antibottom-Quarks im QGP, um zusammenzuarbeiten“, sagte Shuai Yang, ein STAR-Mitarbeiter von der South China Normal University. „Dies macht Ypsilon-Zählungen sehr sauber, da ihre Unterdrückung nicht durch Reformation getrübt wird, wie es bei J/psi-Zählungen der Fall sein kann.“

Der andere Vorteil von Ypsilonen besteht darin, dass sie im Gegensatz zu J/psi-Partikeln in drei Varianten vorkommen: einem fest gebundenen Grundzustand und zwei verschiedenen angeregten Zuständen, in denen die Quark-Antiquark-Paare lockerer gebunden sind. Die am stärksten gebundene Version sollte am schwersten auseinanderzuziehen und bei einer höheren Temperatur zu schmelzen sein.

„Wenn wir beobachten, dass die Unterdrückungsniveaus für die drei Sorten unterschiedlich sind, können wir vielleicht einen Bereich für die QGP-Temperatur festlegen“, sagte Yang.

Erstmalige Messung

Diese Ergebnisse markieren das erste Mal, dass RHIC-Wissenschaftler in der Lage waren, die Unterdrückung für jede der drei Ypsilon-Varietäten zu messen.

Sie fanden das erwartete Muster: Die geringste Unterdrückung/Schmelzung für den am stärksten gebundenen Grundzustand; höhere Unterdrückung für den intermediär gebundenen Zustand; und im Wesentlichen keine Ypsilons des am lockersten gebundenen Zustands – was bedeutet, dass alle Ypsilons in dieser letzten Gruppe möglicherweise geschmolzen wurden. (Die Wissenschaftler stellen fest, dass die Unsicherheit bei der Messung dieses am stärksten angeregten, lose gebundenen Zustands groß war.)

„Wir messen das Ypsilon nicht direkt, es zerfällt fast augenblicklich“, erklärte Yang. „Stattdessen messen wir den Zerfall ‚Töchter‘.“

Das Team untersuchte zwei Zerfalls-„Kanäle“. Ein Zerfallspfad führt zu Elektron-Positron-Paaren, die vom elektromagnetischen Kalorimeter von STAR aufgenommen werden. Der andere Zerfallsweg zu positiven und negativen Myonen wurde vom Myonenteleskop-Detektor von STAR verfolgt.

In beiden Fällen stellt die Rekonstruktion des Impulses und der Masse der Zerfallstöchter fest, ob das Paar von einem Ypsilon stammt. Und da die verschiedenen Ypsilon-Typen unterschiedliche Massen haben, konnten die Wissenschaftler die drei Typen unterscheiden.

„Dies ist das am meisten erwartete Ergebnis des Myonenteleskop-Detektors“, sagte Brookhaven Lab-Physiker Lijuan Ruan, Co-Sprecher von STAR und Manager des Myonenteleskop-Detektorprojekts. Diese Komponente wurde speziell für den Zweck der Verfolgung von Ypsilons vorgeschlagen und gebaut, mit Planung bis 2005, Baubeginn 2010 und vollständiger Installation rechtzeitig für den RHIC-Lauf von 2014 – die Datenquelle dafür, zusammen mit 2016 Analyse.

„Es war eine sehr herausfordernde Messung“, sagte Ma. „Dieses Papier erklärt im Wesentlichen den Erfolg des STAR-Myonenteleskop-Detektorprogramms. Wir werden diese Detektorkomponente in den nächsten Jahren weiterhin verwenden, um mehr Daten zu sammeln, um unsere Unsicherheiten bezüglich dieser Ergebnisse zu verringern.“

Das Sammeln weiterer Daten in den nächsten Jahren des Betriebs von STAR zusammen mit dem brandneuen Detektor von RHIC, sPHENIX, sollte ein klareres Bild des QGP liefern. sPHENIX wurde gebaut, um als eines seiner Hauptziele Upsilons und andere Teilchen aus schweren Quarks zu verfolgen.

„Wir freuen uns darauf, wie neue Daten, die in den nächsten Jahren gesammelt werden, unser Bild des QGP ausfüllen werden“, sagte Ma.