Erkennen eines klaren Zeichens dafür, dass die Quark-Gluon-Plasmaproduktion bei niedriger Energie „abschaltet“.

Physiker berichten über neue Beweise dafür, dass die Erzeugung eines exotischen Materiezustands bei Kollisionen von Goldkernen am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – einem Atomzertrümmerer im Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) – „abgeschaltet“ werden kann. durch Verringerung der Kollisionsenergie. Das „Aus“-Signal zeigt sich als Vorzeichenwechsel – von negativ zu positiv – in Daten, die Eigenschaften „höherer Ordnung“ der Verteilung von Protonen beschreiben, die bei diesen Kollisionen erzeugt werden.

Die Ergebnisse, die gerade von RHICs STAR Collaboration in veröffentlicht wurden Briefe zur körperlichen Überprüfungwird Physikern helfen, die Temperatur- und Dichtebedingungen zu bestimmen, unter denen die exotische Materie, bekannt als Quark-Gluon-Plasma (QGP), existieren kann, und Schlüsselmerkmale der Phasen der Kernmaterie zu identifizieren.

„Befreiende“ Quarks und Gluonen

Die Generierung und Untersuchung von QGP war ein zentrales Ziel der Forschung am RHIC. Seit der Beschleuniger im Jahr 2000 in Betrieb genommen wurde, haben zahlreiche Messungen gezeigt, dass die energiereichsten Zertrümmerungen von Atomkernen – bei 200 Milliarden Elektronenvolt (GeV) – die Grenzen von Protonen und Neutronen für einen flüchtigen Augenblick „schmelzen“ und freisetzen , die Quarks und Gluonen, aus denen gewöhnliche Kernteilchen bestehen.

Verschiedene Messungen haben gezeigt, dass das QGP bis hinunter zu 19,6 GeV existiert. Die neue Analyse verwendete Daten, die vom STAR-Detektor von RHIC während der ersten Phase des RHIC Beam Energy Scan gesammelt wurden, um systematisch nach der Energie zu suchen, bei der die Produktion dieses thermalisierten Zustands von Quarks und Gluonen abgeschaltet wird.

„Wir haben 10 Kollisionsenergien analysiert – von einer Schwerpunktsenergie von 200 GeV, der höchsten Kollisionsenergie von RHIC zwischen zwei Goldstrahlen, bis hinunter zu 3 GeV, wenn ein Goldstrahl mit einem stationären Goldziel kollidiert“, sagte Ashish Pandav, a Student am indischen National Institute of Science Education and Research (NISER), jetzt stationiert am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) des DOE. „Diese Daten liefern uns die bisher umfassendste Abdeckung des Kernphasendiagramms – der Karte, wie sich Kernmaterie mit Temperatur und Dichte verändert.“

Um festzustellen, ob bei jeder Kollisionsenergie ein QGP erzeugt wurde, untersuchten die Wissenschaftler die Verteilung der bei jedem Kollisionsereignis erzeugten Protonen.

Systematische Analyse

„Wir haben Ereignis für Ereignis die Anzahl der Protonen abzüglich der Anzahl der produzierten Antiprotonen und die Verteilung dieser Netto-Protonenproduktion gemessen“, sagte Bedangadas Mohanty, Physikprofessor am NISER. Mohanty und das STAR-Team analysierten Daten zu einer Vielzahl von Merkmalen der Verteilung, einschließlich des Mittelwerts, der Varianz, der Schiefe der Daten usw. bis hin zu den sogenannten Merkmalen 5. und 6. Ordnung.

Dann verglichen sie ihre Beobachtungen mit Vorhersagen, die mithilfe der Gleichungen der Quantenchromodynamik (QCD) berechnet wurden, der Theorie, die die Wechselwirkungen von Quarks und Gluonen beschreibt, simuliert auf einem diskreten Raumzeitgitter.

„Diese numerischen QCD-Simulationen haben die Bildung eines thermalisierten Quark-Gluon-Plasmas eingebaut. Wenn die Daten also mit den Vorhersagen übereinstimmen, ist dies ein Beweis dafür, dass QGP vorhanden ist“, sagte Mohanty.

Hierarchische Ordnung

Die QCD-Berechnungen sagen eine hierarchische Ordnung der Netto-Protonenverteilungseigenschaften voraus – und dass bestimmte Beziehungen zwischen diesen Eigenschaften alle negative Werte haben sollten. Die STAR-Daten zeigen, dass diese thermodynamischen Muster im Allgemeinen bei allen außer der niedrigsten Kollisionsenergie bestehen bleiben.

„Wir wissen, dass RHIC-Kollisionen bei 200 GeV ein QGP erzeugen, aber was ist mit der nächsten Energie, 62,4 GeV, 54,4 GeV, 39, 27, 19,6?“ sagte Nu Xu, Physiker bei LBNL und ehemaliger Sprecher von STAR. „Bei all diesen Energien haben wir die vorhergesagte Hierarchie und negative Werte gefunden – was bedeutet, dass die Daten bei diesen Energien alle mit einem thermalisierten QGP übereinstimmen.“

Unterhalb von 19,6 GeV stimmten die Daten weiterhin mit den Vorhersagen überein, obwohl die Fehlerbalken, die den Unsicherheitsbereich dieser Messungen anzeigten, groß waren.

„Für diese Energien brauchen wir mehr Daten“, sagte Xu.

Aber bei der niedrigsten Energie, 3 GeV, sahen die Wissenschaftler eine dramatische Verschiebung. Die Reihenfolge der Hierarchie unter den analysierten Merkmalen drehte sich um – und damit auch das Vorzeichen der Schlüsselbeziehungen, von negativ zu positiv.

„Dieser Vorzeichenwechsel ist ein robuster Hinweis darauf, dass die Bildung eines Quark-Gluon-Plasmas bei der niedrigsten Kollisionsenergie von RHIC abgeschaltet wird“, sagte Xu.

Gewissheit in der Mathematik

Die Gewissheit der Wissenschaftler beruht auf der Tatsache, dass die von ihnen verwendeten Vergleiche aus rein mathematischen Beschreibungen des QGP stammen und nicht aus Modellen, die auf Annäherungen an die Quark-Gluon-Wechselwirkungen basieren. Sie vergleichen diesen „First-Principles“-Ansatz mit der Lösung der einfachsten Gleichungen der klassischen Physik – wie dem Newtonschen Gesetz (Kraft = Masse x Beschleunigung) oder dem Verständnis des Einflusses der Geschwindigkeit auf die zurückgelegte Strecke (Geschwindigkeit x Zeit = Entfernung).

„In diesem Fall löst es die Wechselwirkungen von Quarks und Gluonen mit QCD, das viel kompliziertere Gleichungen hat“, sagte Mohanty.

Diese Arbeit erforderte leistungsstarke Computer, unter anderem in der RHIC and ATLAS Computing Facility (RACF) im Brookhaven Lab, im National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) in LBNL und im Open Science Grid-Konsortium.

„Diese Rechenressourcen und die Gitter-QCD – ein Ansatz zur Lösung der Gleichungen, die Quark-Gluon-Wechselwirkungen auf einem 4D-Raum-Zeit-Gitter berücksichtigen – haben große Fortschritte in unserer Fähigkeit ermöglicht, präzise Vorhersagen über das Verhalten von Eigenschaften höherer Ordnung von konservierten Ladungsverteilungen zu treffen QCD“, sagte Frithjof Karsch, ein ehemaliger Theoretiker des Brookhaven Lab, jetzt an der Universität Bielefeld in Deutschland, der an einem Artikel über die QCD-Vorhersagen mitverfasst ist.

„Es ist aufregend zu sehen, dass diese Vorhersagen aus den First-Principles-Berechnungen durch die experimentellen Daten am RHIC bestätigt werden.“

Die Wissenschaftler hoffen, ihr Vertrauen in ihre Ergebnisse und ihre Suche nach einem QGP-Abzweigpunkt durch die Analyse von Daten aus dem Beam Energy Scan II (BES II) von RHIC weiter stärken zu können. Dieser Datenschatz wird die Unsicherheit aller Ergebnisse eingrenzen, insbesondere für die Energien unter 19,6 GeV.

„Von einem thermalisierten System sehen wir ein glattes Muster von 200 GeV bis 62 GeV bis hin zu 19,6 GeV. Dann sehen wir etwas ‚Unebenes‘ zwischen 20 und 3 GeV“, sagte Xu.

Eine frühere Analyse von Schwankungen in der Nettoprotonenproduktion deutete darauf hin, dass Unebenheiten ein Hinweis auf eine bestimmte Kombination von Temperatur und Druck sein könnten, bei der sich die Art und Weise ändert, wie sich das QGP aus gewöhnlicher Kernmaterie bildet. Diese Ergebnisse und die Hinzufügung von Daten aus BES II werden dazu beitragen, die Suche nach diesem sogenannten kritischen Punkt einzugrenzen.

„Es hängt alles zusammen“, sagte Xu.