Untersuchung der faszinierenden Details von Kollisionen bei extremen Energien

Die Anfangsphasen von Schwerionenkollisionen, die bei den am CERN Large Hadron Collider verfügbaren Maximalenergien auftreten, bleiben weiterhin ein Rätsel der modernen Kernphysik. Neue theoretische Werkzeuge, die von Physikern des Instituts für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Krakau verbessert wurden, werden dazu beitragen, dieses Rätsel zu lösen.

Die bei nuklearen Kollisionen auftretenden Phänomene sind so schnell und umfassen so kleine Teilchen, dass sie nicht direkt beobachtet werden können. Den Ablauf solcher Prozesse zu erraten, gleicht der Arbeit eines Detektivs. So wie er das Verbrechen nicht beobachten kann und sich anhand von Zeugenaussagen ein Bild davon rekonstruieren muss, versuchen Physiker, den Verlauf nuklearer Phänomene anhand von „Berichten“ zu rekonstruieren, die von den bei Kollisionen entstehenden und aufgezeichneten Sekundärteilchen stammen durch Detektoren.

Die Aufgabe von Sherlock Holmes war jedoch viel einfacher – er konnte frei mit seinen Zeugen sprechen, während Physiker nur das Verhalten der Teilchen beobachten können. Um den tatsächlichen Ablauf des „Verbrechens“ (der Zusammenstöße von Atomkernen) zu rekonstruieren, müssen sie eine geeignete Sprache zur Beschreibung des Geschehens schaffen (mathematische Werkzeuge) und diese nutzen, um das Geschehene wiederzugeben (mit Hilfe eines theoretischen Modells). des Phänomens) und vergleichen Sie dann, ob die so gewonnene „Zeugnis“ mit dem übereinstimmt, was die aufgezeichneten Teilchen zu „sagen“ scheinen.

Besonders schwierig zu untersuchende Prozesse sind Phänomene, die in den frühen Stadien von Schwerionenkollisionen im LHC-Beschleuniger auftreten, wenn sich ein Quark-Gluon-Plasma bilden kann. Dies ist ein Zustand der Materie, in dem sich Quarks und Gluonen wie freie Teilchen verhalten (in der Welt um uns herum sind Quarks und Gluonen immer durch starke Wechselwirkungen verbunden und verbleiben im Inneren von Hadronen, also Protonen oder Neutronen).

Das Quark-Gluon-Plasma endet extrem schnell, da es bei der Ausdehnung abkühlt. Anschließend werden Quarks und Gluonen wieder in Hadronen gefangen, wodurch Sekundärteilchen entstehen, die in Detektoren registriert werden. Ob ein Quark-Gluon-Plasma entstanden ist, lässt sich aus der Analyse der sogenannten Vorwärts-Rückwärts-Korrelationen zwischen bei Kollisionen entstehenden Teilchen schließen.

„Vorwärts-Rückwärts-Korrelationen messen die Beziehung zwischen der Anzahl der Partikel, die vorwärts und rückwärts erzeugt werden, wenn schwere Ionenstrahlen kollidieren. Obwohl diese Korrelationen sehr weit voneinander entfernte Partikel betreffen, enthalten sie Informationen über das frühe Stadium der Kollision. Dies liegt daran, dass die Korrelationen zwischen.“ „Die vorwärts und rückwärts emittierten Teilchen konnten sich nur gebildet haben, bevor sich die Teilchen voneinander entfernten, also zu Beginn der Kollision“, sagt Dr. Iwona Sputowska vom Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IFJ PAN). Krakau, ein Physiker, der Mitglied der wissenschaftlichen Zusammenarbeit ALICE am LHC ist.

Das Problem bei Korrelationen besteht jedoch darin, dass sie bei unsachgemäßer Anwendung zu falschen Schlussfolgerungen führen können. Nehmen wir zum Beispiel an, wir führen eine Studie über die Intelligenz von Kindern in allen Grundschulformen durch. Man könnte dann einen Zusammenhang finden, wonach ein Kind umso mehr wiegt, je intelligenter es ist.

Wir wissen jedoch, dass Intelligenz und Gewicht in Wirklichkeit mit einer anderen Variablen korrelieren: dem Alter des Kindes. Wenn wir unsere Studie also auf gleichaltrige Kinder beschränken, sinkt die Korrelation zwischen ihrer Intelligenz und ihrem Gewicht dramatisch. Der Zusammenhang zwischen Intelligenz und Gewicht ist daher empfindlich gegenüber Altersschwankungen in der Gruppe der Kinder – in der gesamten Schule gibt es viele Kinder unterschiedlichen Alters, innerhalb derselben Klasse sind die Altersunterschiede jedoch gering.

Eine ähnliche Herausforderung stoßen wir bei der Untersuchung von Korrelationen bei Schwerionenkollisionen. Das Verhältnis zwischen der Anzahl der vorwärts und rückwärts erzeugten Teilchen hängt empfindlich von Schwankungen in der Art und Weise ab, wie die beiden Atomkerne miteinander kollidierten, etwa ob sie zentral kollidierten oder nur aneinander streiften.

Um dieses Problem zu lösen, wurde das Konzept stark intensiver Variablen eingeführt. Diese Größen sind so definiert, dass sie weder davon abhängen, wie die beiden Ionen miteinander kollidierten, noch davon, wie stark die Kollisionsgeometrie in der Gruppe der untersuchten Ereignisse schwankte.

Eine stark intensive Korrelationsvariable ist Sigma. Es sollte Aufschluss darüber geben, wie die durchschnittliche Quelle Sekundärpartikel produziert. Bei der Analyse der Daten, die bei den Kollisionen von Blei-Blei- und Xenon-Xenon-Kernen im Rahmen des ALICE-Experiments gesammelt wurden, bemerkte Dr. Sputowska jedoch, dass keines der gängigsten Modelle zur Beschreibung dieser Phänomene dem Verhalten der Sigma-Variablen entspricht.

„Es kann nur eine Schlussfolgerung geben: Da unsere Modelle die experimentellen Daten für die am LHC verfügbaren Kollisionen mit der höchsten Energie nicht korrekt beschreiben, bedeutet das, dass wir falsch modellieren, wie die durchschnittliche Quelle Sekundärteilchen produziert“, sagt Dr. Sputowska.

Überraschenderweise erwiesen sich Kollisionsmodelle, die vor über 45 Jahren von Krakauer Theoretikern vorgeschlagen wurden, als hilfreich für das Verständnis des Verhaltens von Sigma. Sie behandelten Kollisionen schwerer Atomkerne als mehrfache Kollisionen einzelner Nukleonen eines Kerns mit einzelnen Nukleonen des anderen Kerns (im „Wunded-Nucleon-Modell“) oder als Kollisionen nicht von Protonen und Neutronen, sondern von Quarks (im „Wunded-Quark-Modell“).

In diesen Modellen wird davon ausgegangen, dass einzelne, unabhängige Quellen für die Produktion von Sekundärteilchen verantwortlich sind, bei denen es sich entweder um Nukleonen bzw. Quarks handelt.

Frühere Modelle gingen davon aus, dass die durchschnittliche Quelle Sekundärteilchen mit den gleichen Vorwärts- und Rückwärtswahrscheinlichkeiten erzeugt. Sigma sollte dann per Definition gleich eins sein. Es stellt sich heraus, dass seine tatsächliche Abhängigkeit von der Kollisionsgeometrie reproduziert werden kann, wenn man die Möglichkeit berücksichtigt, dass die durchschnittliche Quelle Partikel mit einer etwas anderen Wahrscheinlichkeit vorwärts als rückwärts emittiert.

Im Modell des verwundeten Nukleons erscheint dann abhängig von der Kollisionsgeometrie ein zusätzlicher Term in der Sigma-Formel, und Sigma ist keine stark intensive Variable mehr.

Allerdings führt diese Situation zu einem interessanten Widerspruch, denn Sigma verliert seinen Status als stark intensive Variable und beschreibt dennoch korrekt experimentelle Daten, die nicht von Änderungen in der Kollisionsgeometrie abhängen.

Warum? Die Lösung des Problems lag darin, dass Sigma im verwundeten Quellmodell immer die Werte der Vorwärts-Rückwärts-Korrelation für die durchschnittliche Anzahl verwundeter Nukleonen/Quarks angibt, also für die durchschnittliche Kollisionsgeometrie in einer gegebenen Kollisionsgruppe . Diese Situation kann mit der Messung der Korrelation zwischen Intelligenz und Gewicht von Kindern in einer Gruppe verglichen werden, in der das Durchschnittsalter des Kindes festgelegt ist.

„Ein detailliertes Verständnis der Natur von Sigma ermöglichte es uns, die Fragmentierungsfunktion zu bestimmen und die Anzahl der von Nukleonen im Modell erzeugten Partikel mit der Anzahl der in den Detektoren gemessenen Partikel zu verknüpfen. Zum ersten Mal für die höchsten Kollisionsenergien bei der „LHC konnten wir Werkzeuge konstruieren, die es uns ermöglichen, dieses höchst faszinierende Sigma-Verhalten zuverlässig zu fälschen“, schließt Dr. Sputowska.

Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Körperliche Überprüfung C.