Lichtteilchen können einen Flüssigkeitsstrom erzeugen, wie ein Vergleich mit Datentheorie nahelegt

Eine neue Computeranalyse von Theoretikern des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums und der Wayne State University unterstützt die Idee, dass Photonen (auch bekannt als Lichtteilchen), die mit schweren Ionen kollidieren, eine Flüssigkeit aus „stark wechselwirkenden“ Teilchen erzeugen können. In einer soeben erschienenen Arbeit in Briefe zur körperlichen Überprüfungzeigen sie, dass Berechnungen, die ein solches System beschreiben, mit Daten übereinstimmen, die vom ATLAS-Detektor am europäischen Large Hadron Collider (LHC) gesammelt wurden.

Wie das Papier erklärt, basieren die Berechnungen auf dem hydrodynamischen Partikelfluss, der bei Frontalkollisionen verschiedener Arten von Ionen sowohl am LHC als auch am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science für kernphysikalische Forschung, beobachtet wird im Brookhaven Lab. Mit nur geringfügigen Änderungen beschreiben diese Berechnungen auch Strömungsmuster, die bei Beinahe-Kollisionen beobachtet werden, bei denen Photonen, die eine Wolke um die schnellen Ionen bilden, mit den Ionen im entgegengesetzten Strahl kollidieren.

„Das Ergebnis ist, dass wir mit demselben Rahmen, den wir zur Beschreibung von Blei-Blei- und Proton-Blei-Kollisionen verwenden, die Daten dieser ultraperipheren Kollisionen beschreiben können, bei denen ein Photon mit einem Bleikern kollidiert“, sagte Brookhaven Lab Theoretiker Björn Schenke, ein Co-Autor des Papiers. „Das sagt Ihnen, dass es eine Möglichkeit gibt, dass wir bei diesen Photon-Ionen-Kollisionen ein kleines, dichtes, stark wechselwirkendes Medium erzeugen, das durch die Hydrodynamik gut beschrieben wird – genau wie in den größeren Systemen.“

Flüssige Unterschriften

Beobachtungen von Partikeln, die auf charakteristische Weise fließen, waren ein wichtiger Beweis dafür, dass die größeren Kollisionssysteme (Blei-Blei- und Proton-Blei-Kollisionen am LHC und Gold-Gold- und Proton-Gold-Kollisionen am RHIC) eine nahezu perfekte Flüssigkeit erzeugen. Es wurde angenommen, dass die Strömungsmuster auf die enormen Druckgradienten zurückzuführen sind, die durch die große Anzahl stark wechselwirkender Partikel erzeugt werden, die dort entstehen, wo sich die kollidierenden Ionen überlagern.

„Indem wir diese hochenergetischen Kerne zusammenschlagen, erzeugen wir eine so hohe Energiedichte – wir komprimieren die kinetische Energie dieser Typen auf so kleinem Raum – dass sich dieses Zeug im Wesentlichen wie eine Flüssigkeit verhält“, sagte Schenke.

Es wird erwartet, dass kugelförmige Partikel (einschließlich Protonen und Kerne), die frontal kollidieren, einen gleichmäßigen Druckgradienten erzeugen. Aber teilweise überlappende Kollisionen erzeugen einen länglichen, mandelförmigen Druckgradienten, der mehr hochenergetische Teilchen entlang der kurzen Achse herausdrückt als senkrecht dazu.

Dieses „elliptische Strömungsmuster“ war einer der frühesten Hinweise darauf, dass Teilchenkollisionen am RHIC ein Quark-Gluon-Plasma oder QGP erzeugen könnten – eine heiße Suppe der grundlegenden Bausteine, aus denen die Protonen und Neutronen von Kernen/Ionen bestehen. Die Wissenschaftler waren zunächst von dem flüssigkeitsähnlichen Verhalten des QGP überrascht. Aber später etablierten sie den elliptischen Fluss als ein bestimmendes Merkmal von QGP und bewiesen, dass die Quarks und Gluonen immer noch stark wechselwirkten, selbst wenn sie nicht in einzelnen Protonen und Neutronen eingeschlossen waren. Spätere Beobachtungen ähnlicher Strömungsmuster bei Kollisionen von Protonen mit großen Kernen deuten faszinierenderweise darauf hin, dass diese Proton-Kern-Kollisionssysteme auch winzige Flecken von Quark-Gluon-Suppe erzeugen können.

„In unserem neuen Papier geht es darum, dies noch weiter ins Extreme zu treiben und Kollisionen zwischen Photonen und Kernen zu betrachten“, sagte Schenke.

Projektil wechseln

Es ist seit langem bekannt, dass ultraperiphere Kollisionen Photon-Kern-Wechselwirkungen erzeugen können, wobei die Kerne selbst als Quelle der Photonen verwendet werden. Das liegt daran, dass geladene Teilchen, die auf hohe Energien beschleunigt werden, wie die am LHC beschleunigten Bleikerne/Ionen (und die Goldionen am RHIC), elektromagnetische Wellen aussenden – Lichtteilchen. Jedes beschleunigte Bleiion am LHC ist also im Wesentlichen von einer Photonenwolke umgeben.

„Wenn zwei dieser Ionen sehr nah aneinander vorbeikommen, ohne zu kollidieren, kann man sich vorstellen, dass eines ein Photon aussendet, das dann auf das Blei-Ion trifft, das in die andere Richtung geht“, sagte Schenke. „Diese Ereignisse passieren häufig; es ist für die Ionen einfacher, sie kaum zu verfehlen, als sich präzise zu treffen.“

ATLAS-Wissenschaftler kürzlich veröffentlichte Daten auf faszinierende strömungsähnliche Signale von diesen Photon-Kern-Kollisionen.

„Wir mussten spezielle Datenerfassungstechniken einrichten, um diese einzigartigen Kollisionen herauszufiltern“, sagte Blair Seidlitz, ein Physiker der Columbia University, der als Doktorand an der University of Colorado, Boulder, beim Aufbau des ATLAS-Triggersystems für die Analyse half . „Nachdem wir genügend Daten gesammelt hatten, waren wir überrascht, strömungsähnliche Signale zu finden, die denen ähnelten, die bei Blei-Blei- und Proton-Blei-Kollisionen beobachtet wurden, obwohl sie etwas kleiner waren.“

Schenke und seine Mitarbeiter wollten herausfinden, ob ihre theoretischen Berechnungen die Partikelströmungsmuster genau beschreiben können.

Sie verwendeten dieselben hydrodynamischen Berechnungen, die das Verhalten von Partikeln beschreiben, die in Blei-Blei- und Protonen-Blei-Kollisionssystemen erzeugt werden. Aber sie nahmen einige Anpassungen vor, um zu berücksichtigen, dass das „Projektil“, das auf den Bleikern trifft, sich von einem Proton in ein Photon verwandelt.

Gemäß den Gesetzen der Physik (insbesondere der Quantenelektrodynamik) kann ein Photon Quantenfluktuationen unterliegen, um ein anderes Teilchen mit denselben Quantenzahlen zu werden. Ein Rho-Meson, ein Teilchen aus einer bestimmten Kombination von Quark und Antiquark, die durch Gluonen zusammengehalten werden, ist eines der wahrscheinlichsten Ergebnisse dieser Photonenfluktuationen.

Wenn Sie an das Proton zurückdenken – das aus drei Quarks besteht – ist dieses Zwei-Quark-Rho-Partikel nur eine Stufe auf der Komplexitätsleiter nach unten.

„Anstatt eine Gluonverteilung um drei Quarks innerhalb eines Protons zu haben, haben wir die zwei Quarks (Quark-Antiquark) mit einer Gluonverteilung um diese herum, um mit dem Kern zu kollidieren“, sagte Schenke.

Bilanzierung von Energie

Die Berechnungen mussten auch den großen Energieunterschied in diesen Photon-Kern-Kollisionssystemen im Vergleich zu Proton-Blei und insbesondere Blei-Blei berücksichtigen.

„Das emittierte Photon, das mit dem Blei kollidiert, trägt nicht den gesamten Impuls des Bleikerns, aus dem es stammt, sondern nur einen winzigen Bruchteil davon. Die Kollisionsenergie wird also viel geringer sein“, sagte Schenke.

Dieser Energieunterschied erwies sich als noch wichtiger als der Projektilwechsel.

Bei den energiereichsten Blei-Blei- oder Gold-Gold-Schwerionenkollisionen bleibt das Partikelmuster, das in der Ebene quer zu den kollidierenden Strahlen austritt, im Allgemeinen bestehen, egal wie weit Sie vom Kollisionspunkt entlang der Strahllinie (in Längsrichtung) schauen. Aber als Schenke und seine Mitarbeiter die Partikelmuster modellierten, von denen erwartet wird, dass sie aus Photonen-Blei-Kollisionen mit niedrigerer Energie entstehen, wurde deutlich, dass die Einbeziehung der 3D-Details der Längsrichtung einen Unterschied machte. Das Modell zeigte, dass sich die Geometrie der Partikelverteilungen mit zunehmendem Längsabstand schnell ändert; die Partikel werden „dekorreliert“.

„Je nach ihrer Längsposition sehen die Partikel unterschiedliche Druckgradienten“, erklärt Schenke.

„Für diese niederenergetischen Photonen-Blei-Kollisionen ist es also wichtig, ein vollständiges hydrodynamisches 3D-Modell auszuführen (das rechenintensiver ist), da sich die Partikelverteilung schneller ändert, wenn Sie in Längsrichtung gehen“, sagte er.

Als die Theoretiker ihre Vorhersagen unter Verwendung dieses niederenergetischen, vollständig hydrodynamischen 3D-Modells mit den Partikelströmungsmustern verglichen, die bei Photonen-Blei-Kollisionen vom ATLAS-Detektor beobachtet wurden, stimmten die Daten und die Theorie gut überein, zumindest für das offensichtlichste elliptische Strömungsmuster , sagte Schenke.

Folgen und Zukunft

„Aus diesem Ergebnis sieht es so aus, als ob es denkbar wäre, dass wir selbst bei Kollisionen mit schweren Photonen ein stark wechselwirkendes Fluid haben, das auf die anfängliche Kollisionsgeometrie reagiert, wie sie von der Hydrodynamik beschrieben wird“, sagte Schenke. „Wenn die Energien und Temperaturen hoch genug sind“, fügte er hinzu, „wird es ein Quark-Gluon-Plasma geben.“

Seidlitz, der ATLAS-Physiker, kommentierte: „Es war sehr interessant, diese Ergebnisse zu sehen, die auf die Bildung eines kleinen Tröpfchens aus Quark-Gluon-Plasma hindeuten, und wie diese theoretische Analyse konkrete Erklärungen dafür liefert, warum die Strömungssignaturen etwas kleiner sind bei Photonen-Blei-Kollisionen.“

Zusätzliche Daten, die in den nächsten Jahren von ATLAS und anderen Experimenten am RHIC und dem LHC gesammelt werden, werden detailliertere Analysen von Partikeln ermöglichen, die durch Photonenkernkollisionen strömen. Diese Analysen helfen dabei, die hydrodynamische Berechnung von einer anderen möglichen Erklärung zu unterscheiden, bei der die Strömungsmuster kein Ergebnis der Reaktion des Systems auf die ursprüngliche Geometrie sind.

In der längerfristigen Zukunft könnten Experimente an einem Electron-Ion Collider (EIC), einer Einrichtung, die RHIC irgendwann im nächsten Jahrzehnt im Brookhaven Lab ersetzen soll, definitivere Schlussfolgerungen liefern.