Neuer Treiber für Formen kleiner Quark-Gluon-Plasmatropfen?

Neue Messungen darüber, wie Partikel aus Kollisionen verschiedener Partikeltypen am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) fließen, haben neue Erkenntnisse über den Ursprung der Form heißer Materieflecken geliefert, die bei diesen Kollisionen entstehen. Die Ergebnisse könnten zu einem tieferen Verständnis der Eigenschaften und Dynamik dieser Form von Materie führen, die als Quark-Gluon-Plasma (QGP) bekannt ist.

QGP ist eine Suppe aus Quarks und Gluonen, aus denen die Protonen und Neutronen der Atomkerne im Herzen aller sichtbaren Materie im Universum bestehen. Wissenschaftler gehen davon aus, dass das gesamte Universum unmittelbar nach dem Urknall vor etwa 14 Milliarden Jahren mit QGP gefüllt war, bevor sich Protonen und Neutronen bildeten. RHIC, eine Benutzereinrichtung des Office of Science des US-Energieministeriums für Kernphysikforschung am Brookhaven National Laboratory, erzeugt QGP durch Kollision der Atomkerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. Die Kollisionen schmelzen die Grenzen der Protonen und Neutronen und befreien die Quarks und Gluonen vorübergehend aus ihrer Einschließung in diesen gewöhnlichen Kernbausteinen (gemeinsam Nukleonen genannt).

Die neue Analyse der Daten des STAR-Detektors des RHIC legt nahe, dass die Form des QGP, das bei Kollisionen kleiner Kerne mit großen Kernen entsteht, möglicherweise von der Unterstruktur des kleineren Projektils beeinflusst wird – also von der inneren Anordnung der Quarks und Gluonen innerhalb der Protonen und Neutronen des kleineren Kerns. Dies steht im Gegensatz zu Veröffentlichungen zu Daten des PHENIX-Detektors von RHIC, in denen berichtet wurde, dass die QGP-Form durch den größeren Maßstab bestimmt wurde Positionen der einzelnen Nukleonen und damit die Formen der kollidierenden Kerne.

„Die Frage, ob die Form des QGP durch die Positionen der Nukleonen oder durch ihre innere Struktur bestimmt wird, ist seit langem Gegenstand auf diesem Gebiet. Die kürzlich von der STAR-Kollaboration durchgeführte Messung liefert wichtige Hinweise zur Lösung dieser Frage.“ sagte Roy Lacey, Professor an der Stony Brook University und Hauptautor des STAR-Artikels.

Wie sich herausstellte, könnten die Unterschiede in den STAR- und PHENIX-Ergebnissen auf die Art und Weise zurückzuführen sein, wie die beiden Detektoren ihre jeweiligen Messungen durchgeführt haben, wobei jeder die QGP-Tröpfchen aus einer anderen Perspektive beobachtete.

Verfolgung von Zwei-Teilchen-Korrelationen

Wie die STAR-Kollaboration in einem gerade veröffentlichten Artikel berichtet Briefe zur körperlichen UntersuchungIhre Messungen basieren auf einer Analyse von Partikeln, die größtenteils in der Mitte ihres Detektors rund um das Strahlrohr austreten. Durch die Betrachtung der Winkel zwischen Teilchenpaaren in diesem „Mittelgeschwindigkeitsbereich“ können Physiker erkennen, ob mehr Teilchen in bestimmte Richtungen fließen.

„Man verwendet ein Teilchen, um die Richtung zu bestimmen, und ein anderes, um die Dichte um es herum zu messen“, sagte Jiangyong Jia, Physiker am Brookhaven Lab und der Stony Brook University. Je näher die Partikel im Winkel zueinander stehen, desto höher ist die Dichte bzw. desto mehr Partikel befinden sich in dieser Richtung.

Diese Strömungsmuster können durch Druckgradienten ermittelt werden, die mit der Form von QGP verbunden sind. Das STAR-Team analysierte die Strömungsmuster von drei verschiedenen Kollisionssystemen: einzelne Protonen, die mit Goldkernen kollidieren; Deuteronen mit zwei Nukleonen (ein Proton und ein Neutron), die mit Gold kollidieren; und dreikernige Helium-3-Kerne (zwei Protonen und ein Neutron), die mit Gold kollidieren. Die Daten wurden in drei separaten Läufen in den Jahren 2014 (Helium), 2015 (Protonen) und 2016 (Deuteronen) gesammelt.

Die Strömungsergebnisse von PHENIX basierten auf Korrelationen zwischen Partikeln mit mittlerer Geschwindigkeit und Partikeln, die weit draußen im vorderen Bereich ihres Detektors emittiert wurden. Diese Analyse ergab, dass die in diesen drei Kollisionssystemen festgestellten QGP-Flecken und Strömungsmuster mit der Form des Projektils zusammenhängen, das mit dem Goldkern kollidiert: Kugelförmige Protonen erzeugten kreisförmige QGP-Tropfen mit gleichmäßigem Fluss, längliche Zweiteilchen-Deuteronen erzeugten längliche Tropfen und elliptische Strömungsmuster, und ungefähr dreieckige Dreiteilchen-Helium-3-Kerne erzeugten dreieckige QGP-Blobs mit einem entsprechend stärkeren dreieckigen Fluss.

„Auf den elliptischen und dreieckigen Strömungsmessungen von PHENIX konnte man einen deutlichen Abdruck der Form des Kerns erkennen“, sagte James Dunlop, stellvertretender Lehrstuhlinhaber für Kernphysik in der Physikabteilung des Brookhaven Lab.

Im Gegensatz dazu waren laut Shengli Huang, einem Forschungswissenschaftler der Stony Brook University, der die STAR-Analyse leitete, „die ‚v3‘-Dreiecksströmungsmuster von STAR alle gleich, egal welches Projektil wir betrachteten. Es scheint, dass der Abdruck von Die dreieckige Form des Helium-3-Kerns, die ausgeprägtere v3-Strömungsmuster erzeugt als die anderen beiden Systeme, fehlt. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Schwankungen der Nukleonenunterstruktur eine wichtigere Rolle bei der Bestimmung der QGP-Form spielen als Änderungen in der Anzahl der Nukleonen und ihre Positionen.“

Takahito Todoroki, ein Assistenzprofessor an der Tsukuba-Universität, führte eine unabhängige Gegenprüfung der STAR-Analyse durch und kam zum gleichen Ergebnis.

Eine Frage der Perspektive

„Beide Messreihen von STAR und PHENIX wurden von unabhängigen Teams innerhalb beider Kooperationen gründlich überprüft, und die Ergebnisse stehen außer Frage“, sagte Dunlop.

Theoretiker haben einige Erklärungen vorgeschlagen.

„Während die STAR-Ergebnisse als Subnukleonenfluktuationen interpretiert werden können, die eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der QGP-Geometrie spielen und den Einfluss der Dreiecksform verwischen, und die PHENIX-Ergebnisse darauf hinweisen, dass die QGP-Form durch die Nukleonenpositionsschwankungen bestimmt wird, sind es die Experimente.“ nicht unbedingt inkonsistent“, sagte Brookhaven Lab-Theoretiker Bjoern Schenke. „Die Berücksichtigung der Tatsache, dass sich der QGP-Blob entlang der Längsrichtung ändert, könnte die Unterschiede erklären.“

Wie Jiangyong Jia erklärte: „Wenn eine Kollision QGP erzeugt, erzeugt man nicht nur ein Stück QGP; man kann es sich als Zylinder entlang der Strahlrichtung vorstellen. Wenn man zum vorderen Ende des Zylinders geht, ändert sich die Geometrie möglicherweise nicht.“ das Gleiche sein, als würde man genau in die Mitte dieses Zylinders blicken. Es könnte zu starken Schwankungen entlang der Strahlrichtung kommen.

Während STAR bei mittlerer Schnelligkeit misst, könnte die PHENIX-Analyse der Korrelationen zwischen Partikeln bei mittlerer Schnelligkeit und in Längsrichtung entfernten „vorderen“ Partikeln diese Längsentwicklung des QGP widerspiegeln. Dieser Perspektivunterschied könnte die unterschiedlichen Ergebnisse erklären.

A Aktuelle theoretische Analyse Unter der Leitung von Schenke fanden Beweise für solche Längsschwankungen. Diese Arbeit, die auch Subnukleonfluktuationen berücksichtigt, legt nahe, dass die longitudinale Variation im QGP zumindest einen Teil des Unterschieds zwischen den STAR- und PHENIX v3-Ergebnissen erklären könnte.

„Diese Ergebnisse unterstreichen den Reichtum der QGP-Physik und die Bedeutung des Vergleichs der Ergebnisse verschiedener Detektoren“, sagte Dunlop.

Zukunftsanalysen

Die STAR-Physiker planen, diese Erklärungen zu untersuchen, indem sie zusätzliche Daten von Deuteron-Gold-Kollisionen analysieren, die 2021 von STAR gesammelt wurden. Bei diesen Messungen wurden verbesserte Komponenten von STAR verwendet, die in der Zeit nach dem ursprünglichen Deuteron im vorderen Bereich dieses Detektors installiert wurden -Golddaten wurden gesammelt.

„Durch die Analyse dieser Daten sollten wir in der Lage sein, beide Messungen – Betrachtung der Korrelationen zwischen mittleren Teilchen und mittleren Vorwärtskorrelationen – im selben Detektor durchzuführen“, sagte Huang.

Wenn die Wissenschaftler beide Ergebnisse bestätigen, werden sie in diesem Artikel veröffentlicht Und Mit den bisherigen Ergebnissen von PHENIX wäre dies ein klarer Beweis für die longitudinalen Schwankungen im QGP.

Darüber hinaus hat RHIC für einen Teil des Laufs im Jahr 2021 auch Kollisionen zwischen zwei Strahlen von Sauerstoffkernen durchgeführt. Die Analyse dieser Daten zwischen Kollisionen von annähernd kugelförmigen Kernen, die jeweils aus 16 Nukleonen bestehen, könnte dabei helfen, die Auswirkungen der Subnukleonenfluktuationen von der Kernform zu entwirren.

„Indem wir weitere Nukleonen hinzufügen, schwächen wir den Einfluss der Fluktuationen innerhalb jedes Nukleons ab“, sagte Jia. „Wir wissen bereits, dass bei Gold-Gold-Kollisionen mit 197 Nukleonen die Fluktuationen der Subnukleonen keinen Einfluss auf die Strömungsmuster haben, aber was passiert, wenn man etwas auswählt, das nicht so groß ist?“

„Da wir das gleiche Kollisionssystem (Deuteron-Gold) haben, können wir jetzt die vorherigen PHENIX- und STAR-Messungen im selben Experiment mit demselben Kollisionssystem wiederholen. Dadurch können wir direkt quantifizieren, wie viel jede beobachtete Längsvariation dazu beiträgt.“ der Unterschied zwischen den Ergebnissen von STAR und PHENIX.“