Bij zeer hoge energieën, de botsing van massieve atoomkernen in een versneller genereert honderden of zelfs duizenden deeltjes die talloze interacties ondergaan. Natuurkundigen aan het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau, Polen, hebben aangetoond dat het verloop van dit complexe proces kan worden weergegeven door een verrassend eenvoudig model:extreem hete materie beweegt weg van het inslagpunt, zich in strepen langs de oorspronkelijke vliegroute uitstrekken, en hoe verder de streep verwijderd is van het vlak van de botsing, hoe groter zijn snelheid.

Wanneer twee massieve atoomkernen met hoge energie botsen, de meest exotische vorm van materie wordt gevormd - een quark-gluon-plasma dat zich gedraagt ​​als een perfecte vloeistof. Deze theoretische overwegingen laten zien dat na impact, het plasma vormt zich in strepen in de richting van de impact, hoe sneller het beweegt van de botsingsas. Het model, de voorspellingen en de implicaties voor tot nu toe experimentele gegevens worden gepresenteerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling C .

Botsingen van atoomkernen gebeuren extreem snel en op afstanden van slechts honderden femtometers (dus honderden miljoensten van een miljardste van een meter). De fysieke omstandigheden zijn uitzonderlijk verfijnd, en directe waarneming van het fenomeen is momenteel niet mogelijk. In dergelijke situaties, de wetenschap gaat ermee om door theoretische modellen te construeren en hun voorspellingen te vergelijken met de gegevens die in experimenten zijn verzameld. Bij deze aanrijdingen echter, een enorm nadeel is dat het resulterende conglomeraat van deeltjes het quark-gluonplasma is. Interacties tussen quarks en gluonen worden gedomineerd door krachten die zo sterk en complex zijn dat de moderne natuurkunde ze niet precies kan beschrijven.

"Onze groep heeft besloten zich te concentreren op de elektromagnetische verschijnselen die optreden tijdens de botsing, omdat ze veel gemakkelijker uit te drukken zijn in de taal van de wiskunde. Als gevolg hiervan, ons model bleek eenvoudig genoeg om zonder al te veel moeite de principes van energie- en impulsbehoud toe te passen. Later, vonden we dat ondanks de aangenomen vereenvoudigingen, de modelvoorspellingen blijven ten minste 90 procent consistent met experimentele gegevens, " zegt Dr. Andrzej Rybicki (IFJ PAN).

Massale atoomkernen versneld tot hoge snelheden, waargenomen in het laboratorium, worden afgeplat in de bewegingsrichting als gevolg van de effecten van de relativiteitstheorie. Wanneer twee van dergelijke proton-neutronen 'pannenkoeken' naar elkaar toe vliegen, de botsing is over het algemeen niet centraal - slechts enkele van de protonen en neutronen van de ene kern bereiken de andere, gewelddadige interacties aangaan en het quark-gluon-plasma vormen. Tegelijkertijd, sommige externe fragmenten van de nucleaire pannenkoeken komen onderweg geen obstakels tegen, en hun ononderbroken vlucht voortzetten; in het jargon van natuurkundigen, ze worden 'toeschouwers' genoemd.

"Ons werk is geïnspireerd op gegevens die zijn verzameld in eerdere experimenten met nucleaire botsingen, inclusief deze gemaakt bij de SPS-accelerator. De elektromagnetische effecten die optreden bij deze botsingen die we hebben onderzocht, toonden aan dat het quark-gluonplasma met een hogere snelheid beweegt naarmate het dichter bij de toeschouwers is, " zegt dr. Rybicki.

Om dit verloop van het fenomeen te reproduceren, de natuurkundigen van IFJ PAN besloten de kernen in de bewegingsrichting te verdelen in een reeks stroken - 'bakstenen'. Elke kern in dwarsdoorsnede zag er dus uit als een stapel gestapelde stenen (in het model, hun lengte was één femtometer). In plaats van de complexe sterke interacties en stromen van momentum en energie tussen honderden en duizenden deeltjes te beschouwen, het model reduceerde het probleem tot enkele tientallen parallelle botsingen, elk voorkomend tussen twee proton-neutronenstenen.

De IFJ PAN-wetenschappers confronteerden de voorspellingen van het model met gegevens die waren verzameld van botsingen van massieve kernen gemeten door het NA49-experiment in de Super Proton Synchrotron (SPS). Deze versneller bevindt zich bij de CERN European Nuclear Research Organization in de buurt van Genève, waar een van de belangrijkste taken nu is om deeltjes te versnellen die in de LHC-versneller worden geschoten.

"Vanwege de omvang van de technische problemen, de resultaten van het NA49-experiment zijn onderhevig aan specifieke meetonzekerheden die moeilijk volledig te verminderen of te elimineren zijn. In werkelijkheid, de nauwkeurigheid van ons model kan zelfs groter zijn dan de reeds genoemde 90 procent. Dit geeft ons het recht te zeggen dat, zelfs als er aanvullende, nog steeds niet inbegrepen, fysieke mechanismen in de botsingen, ze mogen het theoretische kader van het model niet langer significant beïnvloeden, ", zegt promovendus Miroslaw Kielbowicz (IFJ PAN).

Na het ontwikkelen van het model van botsingen van 'brick stacks, ' ontdekten de IFJ PAN-onderzoekers dat een zeer vergelijkbare theoretische structuur, het 'fire streak-model' genoemd, ' was al in 1978 voorgesteld door een groep natuurkundigen van het Lawrence Berkeley Laboratory (VS) en het Saclay Nuclear Research Centre in Frankrijk.

"Het vorige model van vuurstrepen die, in feite, vermelden we in onze publicatie, werd gebouwd om andere botsingen bij lagere energieën te beschrijven. We hebben onze structuur onafhankelijk en voor een ander energiebereik gemaakt, " zegt prof. Antoni Szczurek (IFJ PAN, University of Rzeszow) en benadrukt:"Het bestaan ​​van twee onafhankelijke modellen gebaseerd op een vergelijkbaar fysiek idee en overeenkomend met metingen in verschillende energiebereiken van botsingen vergroot de kans dat de fysieke basis waarop deze modellen zijn gebouwd correct is."

Het Cracow fire streak-model biedt nieuwe informatie over de expansie van quark-gluonplasma bij botsingen met hoge energie van massieve atoomkernen. De studie van deze verschijnselen wordt verder uitgebreid in het kader van een ander internationaal experiment, NA61/SHINE bij het SPS-gaspedaal.