Wissenschaftler führen Experimente durch, um nach Beweisen für einen möglichen kritischen Punkt im Phasendiagramm der Quantenchromodynamik zu suchen. Die Quantenchromodynamik beschreibt, wie die starke Kraft Quarks und Antiquarks miteinander verbindet und Protonen, Neutronen und andere Teilchen, sogenannte Hadronen, bildet.
Der kritische Punkt ist analog zum Endpunkt des Übergangs von flüssig zu gasförmig in normalem Wasser. Die wichtigsten Anzeichen dieses kritischen Punktes, die Wissenschaftler beobachten können, hängen mit Veränderungen in der Anzahl der bei Kollisionen von Teilchenbeschleunigern erzeugten Teilchen zusammen.
Die Modellierung dieser Observablen erfordert eine Erweiterung des Standardrahmens für das Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen. In einer Studie veröffentlicht im Journal Briefe zur körperlichen Überprüfunghaben Wissenschaftler nun einen Algorithmus zur Durchführung von Simulationen einer kritischen Flüssigkeit entwickelt und diese Simulationen getestet.
Die Beobachtung einer kritischen Fluktuation bei einer Schwerionenkollision wäre die erste direkte Beobachtung eines Phasenwechsels zwischen dem Quark-Gluon-Plasma und einer hadronischen Phase. Dies ist der Punkt, an dem Quarks und Gluonen in Hadronen eingeschlossen sind.
Die Interpretation der Ergebnisse entsprechender Experimente erfordert neue theoretische Werkzeuge. Insbesondere ist für die Interpretation ein fluiddynamischer Rahmen erforderlich, der Schwankungen berücksichtigt – wie sich Druck, Geschwindigkeit und andere Faktoren in Flüssigkeiten und Gasen ändern können.
Diese Arbeit ist ein wichtiger Beitrag zu diesem Bemühen. In Zukunft hoffen die Forscher, diese Methoden nutzen zu können, um die Daten mit theoretischen Ideen über die Natur von Temperatur und Druck in Quark-Gluon-Materie zu verknüpfen.
Das Beam Energy Scan (BES) Programm am Relativistischer Schwerionenbeschleunigereine Nutzereinrichtung des Energieministeriums am Brookhaven National Laboratory, untersucht die Energieabhängigkeit von Fluktuationsbeobachtbaren bei Kollisionen schwerer Ionen.
Ziel dieser Arbeit ist es, einen möglichen kritischen Punkt zu lokalisieren, der mit dem Phasenübergang zu einem Quark-Gluon-Plasma verbunden ist. Die Interpretation der Ergebnisse des BES-Programms erfordert einen fluiddynamischen Rahmen, der Schwankungen der fluiddynamischen Variablen, der Baryonendichte, der Entropiedichte und der Fluidgeschwindigkeit berücksichtigt.
Im Rahmen dieser Forschung haben Wissenschaftler ein solches Gerüst konstruiert und es in der Simulation einer statischen Flüssigkeit in der Nähe des kritischen Punktes getestet. Zukünftige Arbeiten werden ihre Ergebnisse mit der Ausdehnung des Feuerballs verknüpfen, der bei einer Schwerionenkollision entsteht. Dadurch können Forscher den kritischen Punkt entweder lokalisieren oder seine Lage einschränken.
Weitere Informationen:
Chandrodoy Chattopadhyay et al, Simulationen der stochastischen Fluiddynamik in der Nähe eines kritischen Punktes im Phasendiagramm, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.032301. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2403.10608