Door handtekeningen te ontrafelen van deeltjes die op slechts tienden van een millimeter van het centrum van een vuurbal van een biljoen graden die het vroege universum nabootst, vervallen, kernfysici die atomen stukslaan bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) onthullen nieuwe details over de fundamentele deeltjes waaruit onze wereld bestaat.

Deeltjesbotsingen bij RHIC - een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) Office of Science in het Brookhaven National Laboratory van DOE - creëren regelmatig minuscule specificaties van quark-gluonplasma (QGP), een mengsel van quarks en gluonen, de fundamentele bouwstenen van zichtbare materie, die zo'n 14 miljard jaar geleden voor het laatst als vrije deeltjes bestonden. De botsingen bevrijden de quarks en gluonen uit hun opsluiting in gewone deeltjes (bijv. protonen en neutronen), zodat kernfysici hun interacties en de kracht die ze tegenwoordig in het universum bij elkaar houdt, kunnen bestuderen.

De nieuwe metingen, beschreven in een artikel dat zojuist is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zijn de eersten die afkomstig zijn van een precisie-upgrade naar RHIC's STAR-detector, bekend als de "Heavy Flavor Tracker" (HFT). specifiek, het artikel geeft details over de eerste directe meting bij RHIC van hoe een type zwaar deeltje dat een "charme" quark bevat, verstrikt raakt in de stroom van de uitdijende vuurbal. Deze meting - een bewijs van de mogelijkheden van de HFT - geeft wetenschappers een nieuw inzicht in de interacties van de deeltjes waaruit de subatomaire soep bestaat.

"Door onze metingen te vergelijken met theoretische voorspellingen die de verschillende parameters bevatten die een rol spelen bij deze interacties - dingen zoals de diffusiecoëfficiënt (hoe snel de charm-quarks zich door het plasma verspreiden) en viscositeit (hoe plakkerig de QGP is) - kunnen we leren over hoe deze verschillende eigenschappen zich tot elkaar verhouden, en uiteindelijk waarom de QGP zich gedraagt ​​zoals hij doet, " zei Brookhaven-natuurkundige Flemming Videbaek, de projectmanager die verantwoordelijk is voor de algehele fabricage van de STAR HFT.

Precisie deeltjes volgen

Deeltjes die zware quarks bevatten, worden beschouwd als ideale sondes voor het begrijpen van quark-gluon-plasma omdat ze anders kunnen interageren met het plasma dan lichte quarks, het aanbieden van subtiele aanwijzingen over zijn eigenschappen. Maar de QGP spuugt slechts zelden deeltjes uit die zware quarks bevatten, te midden van duizenden andere deeltjes gemaakt van de lichtere soorten quarks. De weinige zware deeltjes die tevoorschijn komen, vervallen vrijwel onmiddellijk in andere deeltjes - slechts fracties van een millimeter van de QGP-vuurbal waarin ze zijn gemaakt. Door deze zeldzaamheid en het snelle verval zijn zware deeltjes moeilijk te detecteren.

STAR's HFT, een ultramodern volgapparaat dat nu in het midden van de huisgrote detector zit, werd ontworpen om de ongrijpbare maar belangrijke zware deeltjes te volgen. Ontwikkeld door kernfysici van het Lawrence Berkeley National Laboratory, de HFT is de eerste siliciumdetector bij een versneller die gebruikmaakt van Monolithic Active Pixel Sensor-technologie - dezelfde technologie die wordt gebruikt in digitale camera's. De ultradunne sensoren - in tegenstelling tot veel van de deeltjesdetectiecomponenten van STAR - zitten heel dicht bij de centrale bundelpijp waarin de botsingen plaatsvinden. Hoewel niet dicht genoeg om de zware charm-quark zelf te detecteren, deze locatie en de hoge resolutie van de detector (360 miljoen pixels van elk 20 x 20 micron) stellen hem in staat om tekenen van het verval van de zware deeltjes op te vangen.

Voor dit specifieke onderzoek Natuurkundigen van STAR volgden deeltjes die kaonen en pionen worden genoemd en die tevoorschijn komen wanneer charm-quark-bevattende deeltjes die bekend staan ​​als een D-nullen verval. Een gezamenlijke inspanning van vele groepen van de samenwerking, waaronder onderzoekers van Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium, Staatsuniversiteit van Kent, en de Universiteit van Illinois in Chicago - maakte deze analyse in korte tijd succesvol.

"We gebruiken de HFT om te zoeken naar kaonen en pionen die heel dicht bij elkaar liggen - binnen een fractie van een millimeter van elkaar - waarvan de paden van de botsing voortkomen uit een enkel punt dat weg is van het botspunt, maar niet ver, ongeveer 100-500 micron, " zei Videbaek. Dat is de afstand die D0's afleggen voordat ze vervallen, hij legde uit. Als de kaon en pion precies de juiste massa en banen hebben die uit zo'n punt komen, de wetenschappers kunnen concluderen dat ze op die plek afkomstig zijn van een D0 - en deze metingen gebruiken om de opkomst van D0's van overal in de QGP te volgen.

"De precisie van onze meting is ongekend, " zei Xin Dong, een natuurkundige bij Berkeley Lab die de postdocs en studenten leidde die de natuurkundige analyse van de zware smaakresultaten uitvoerden. "Het was een enorme uitdaging vanwege de interferentie van duizenden andere deeltjes die werden geproduceerd in dezelfde zware ionenbotsingen - een beetje alsof je een naald uit een hooiberg haalt."

Vrij vloeiende interacties

De bevindingen - gebaseerd op een analyse van tienduizenden van dergelijke "naalden" in 1,1 miljard botsingen - waren enigszins verrassend.

Denk aan de vorm die ontstaat wanneer twee bolvormige goudionen uit het midden botsen en een langwerpige overlap vormen - zoiets als een voetbal die overeind staat. STAR-natuurkundigen ontdekten dat er meer D0's uit het dikke deel van het "voetbal" kwamen dan uit de puntige uiteinden. Dit patroon van "elliptische stroming" was bekend van metingen van lichtere deeltjes die uit de QGP kwamen. Maar kernfysici hadden aanvankelijk niet verwacht dat zulke zware deeltjes in de stroming zouden verstrikt raken.

"D0's worden gecreëerd in het allereerste deel van de botsing, als de quarks en gluonen vrij zijn, "Zei Videbaek. "Natuurkundigen dachten niet dat deze zware-quarkdeeltjes tijd zouden hebben om te interageren, of equilibreren, met de QGP, die slechts een oneindig kleine fractie van een seconde bestaat."

In plaats daarvan, het feit dat de zware quarks dezelfde elliptische stroming vertonen als lichtere deeltjes, is een bewijs dat ze in evenwicht zijn, interactie met de vrije quarks en gluonen in het QGP.

"Het type stroming dat we hebben waargenomen voor deeltjes met zware quarks suggereert dat hun interacties in het quark-gluon-plasma zo sterk zijn dat de zware quarks zelf deel gaan uitmaken van de quark-gluon-soep, ' zei Dong.

Grazyna Odyniec, leider van Berkeley Lab's Relativistic Nuclear Collisions Program, toegevoegd, "De ontdekking van de elliptische stroom van een zeer massieve charm-quark is van fundamenteel belang voor ons begrip van de quark-gluon-plasmafasedynamiek. Het opent een breed scala aan theoretische speculaties over de aard van een mogelijk mechanisme (of mechanismen) hierachter observatie."

Brookhaven Lab-fysicus en STAR-samenwerkingswoordvoerder Zhangbu Xu merkte op dat het vermogen om de stroom en diffusie van de zware deeltjes te volgen, kernfysici een nieuwe manier geeft om de interacties van de vrij bewegende quarks en gluonen en andere eigenschappen van de QGP te "zien" en te bestuderen - enigszins analoog aan de manier waarop wetenschappers uit de vorige eeuw de trillingen van stuifmeelkorrels in water volgden om meer te weten te komen over de eigenschappen ervan.

"Einstein bewees in 1905 dat atomen en moleculen bestaan, en dat we de zogenaamde Brownse beweging van stuifmeelkorrels zouden kunnen gebruiken om de eigenschappen van de vloeistof en andere fundamentele natuurkundige constanten te meten, "Zei Xu. "Nu kunnen we de charm-quarks zoals de stuifmeelkorrels gebruiken om de stroom en andere eigenschappen van de QGP te meten."