Neues Modell des Quark-Gluon-Plasmas löst eine langjährige Diskrepanz zwischen Theorie und Daten

Grundlagenforschung hat die Existenz von Quark-Gluon-Plasma (QGP) – einem neu identifizierten Materiezustand – als Bestandteil des frühen Universums aufgedeckt. Das QGP, von dem bekannt ist, dass es eine Mikrosekunde nach dem Urknall existierte, im Wesentlichen eine Suppe aus Quarks und Gluonen, kühlte mit der Zeit ab, um Hadronen wie Protonen und Neutronen zu bilden – die Bausteine ​​aller Materie.

Eine Möglichkeit, die extremen Bedingungen zu reproduzieren, die zu Zeiten von QGP herrschten, sind relativistische Schwerionenkollisionen. In dieser Hinsicht haben Teilchenbeschleunigeranlagen wie der Large Hadron Collider (LHC) und der Relativistic Heavy Ion Collider unser Verständnis von QGP mit experimentellen Daten zu solchen Kollisionen erweitert.

Inzwischen haben theoretische Physiker mehrstufige relativistische hydrodynamische Modelle verwendet, um die Daten zu erklären, da sich das QGP sehr ähnlich wie eine perfekte Flüssigkeit verhält. Es gab jedoch eine ernsthafte anhaltende Meinungsverschiedenheit zwischen diesen Modellen und Daten im Bereich des niedrigen transversalen Impulses, wo sowohl das herkömmliche als auch das hybride Modell die in den Experimenten beobachteten Teilchenausbeuten nicht erklären konnten.

Vor diesem Hintergrund führte ein Forscherteam aus Japan unter der Leitung des theoretischen Physikers Professor Tetsufumi Hirano von der Sophia University eine Untersuchung durch, um die fehlenden Teilchenausbeuten in den relativistischen hydrodynamischen Modellen zu erklären.

In ihrer jüngsten Arbeit schlugen sie ein neuartiges „Dynamic Core-Corona Initialization Framework“ vor, um hochenergetische Kernkollisionen umfassend zu beschreiben. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Körperliche Überprüfung C und beteiligte Beiträge von Dr. Yuuka Kanakubo, Doktorandin an der Sophia University, (gegenwärtige Zugehörigkeit: Postdoctoral Research Fellow an der University of Jyväskylä, Finnland) und Assistant Professor Yasuki Tachibana von der Akita International University, Japan.

„Um einen Mechanismus zu finden, der die Diskrepanz zwischen theoretischer Modellierung und experimentellen Daten erklären kann, haben wir ein Framework zur dynamischen Kern-Korona-Initialisierung (DCCI2) verwendet, in dem die bei hochenergetischen Kernkollisionen erzeugten Teilchen mit zwei Komponenten beschrieben werden: dem Kern, oder im Gleichgewicht befindliche Materie und die Korona oder nicht im Gleichgewicht befindliche Materie“, erklärt Prof. Hirano. „Dieses Bild ermöglicht es uns, die Beiträge der Kern- und Koronakomponenten zur Hadronenproduktion in der Region mit niedrigem Querimpuls zu untersuchen.“

Die Forscher führten Schwerionen-Pb-Pb-Kollisionssimulationen auf PYTHIA (einem Computersimulationsprogramm) bei einer Energie von 2,76 TeV durch, um ihr DCCI2-Framework zu testen. Die dynamische Initialisierung der QGP-Flüssigkeiten ermöglichte die Trennung von Kern- und Koronakomponenten, die durch „Umschalten der Hyperoberfläche“ bzw. „String-Fragmentierung“ einer Hadronisierung unterzogen wurden. Diese Hadronen wurden dann Resonanzzerfällen unterzogen, um die transversalen Impuls(pT)-Spektren zu erhalten.

„Wir haben die hadronische Streuung abgeschaltet und nur Resonanzzerfälle durchgeführt, um eine Aufschlüsselung der Gesamtausbeute in Kern- und Koronakomponenten zu sehen, da die hadronische Streuung die beiden Komponenten im späten Reaktionsstadium vermischt“, erklärt Dr. Kanakubo.

Anschließend untersuchten die Forscher den Anteil von Kern- und Koronabestandteilen im pT Spektren von geladenen Pionen, geladenen Kaonen und Protonen und Antiprotonen für Kollisionen bei 2,76 TeV. Als nächstes verglichen sie diese Spektren mit denen, die aus experimentellen Daten (vom ALICE-Detektor am LHC für Pb-Pb-Kollisionen bei 2,76 TeV) erhalten wurden, um die Beiträge von Koronakomponenten zu quantifizieren. Schließlich untersuchten sie die Auswirkungen von Beiträgen von Koronakomponenten auf die Strömungsvariablen.

Sie fanden einen relativen Anstieg der Koronabeiträge im Spektralbereich von etwa 1 GeV sowohl für die 0-5%- als auch für die 40-60%-Zentralitätsklassen. Während dies für alle Hadronen zutraf, fanden sie in den Spektren von Protonen und Antiprotonen im Bereich von sehr niedrigem pT (≈ 0 GeV) einen Koronabeitrag von fast 50 % zur Teilchenproduktion.

Darüber hinaus zeigten Ergebnisse aus vollständigen DCCI2-Simulationen eine bessere Übereinstimmung mit den experimentellen Daten von ALICE im Vergleich, wenn nur Kernkomponenten mit hadronischer Streuung (die Koronakomponenten vernachlässigen) verglichen wurden. Es wurde festgestellt, dass der Koronabeitrag für die Verdünnung der Kumulanten aus vier Teilchen (ein beobachtbarer Fluss) verantwortlich ist, die ausschließlich aus Kernbeiträgen erhalten wurden, was auf mehr Permutationen von Partikeln mit Koronabeitrag hinweist.

„Diese Ergebnisse implizieren, dass die Nichtgleichgewichtskoronakomponenten zur Partikelproduktion im Bereich sehr niedriger Querspektren beitragen“, sagt Prof. Hirano. „Dies erklärt die fehlenden Ausbeuten in hydrodynamischen Modellen, die nur die äquilibrierten Kernkomponenten aus experimentellen Daten extrahieren. Dies zeigt deutlich, dass es für ein genaueres Verständnis der Eigenschaften von QGP notwendig ist, auch die nicht äquilibrierten Komponenten zu extrahieren.“