Deeltjes die tevoorschijn komen uit zelfs de laagste energiebotsingen van kleine deuteronen met grote zware kernen in de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science voor kernfysisch onderzoek bij DOE's Brookhaven National Laboratory - vertonen gedragswetenschappers die associëren met de vorming van een soep van quarks en gluonen, de fundamentele bouwstenen van bijna alle zichtbare materie. Deze resultaten van het PHENIX-experiment van RHIC suggereren dat deze kleinschalige botsingen kleine, kortstondige deeltjes materie die lijken op hoe het vroege heelal er bijna 14 miljard jaar geleden uitzag, net na de oerknal.

Wetenschappers bouwden RHIC, voor een groot deel, om dit "quark-gluon plasma" (QGP) te creëren, zodat ze de eigenschappen ervan kunnen bestuderen en leren hoe de sterkste kracht van de natuur quarks en gluonen samenbrengt om de protonen te vormen, neutronen, en atomen die tegenwoordig het zichtbare universum vormen. Maar aanvankelijk verwachtten ze alleen tekenen van QGP te zien bij zeer energetische botsingen van twee zware ionen zoals goud. De nieuwe bevindingen - correlaties in de manier waarop deeltjes uit de botsingen tevoorschijn komen die consistent zijn met wat natuurkundigen hebben waargenomen bij de meer energetische botsingen met grote ionen - dragen bij aan een groeiend aantal bewijzen van RHIC en Europa's Large Hadron Collider (LHC) dat QGP mogelijk ook in kleinere systemen worden gemaakt.

De PHENIX-samenwerking heeft de bevindingen in twee afzonderlijke artikelen aan de tijdschriften voorgelegd Fysieke beoordelingsbrieven en fysieke beoordeling C, en zal deze resultaten presenteren op een bijeenkomst in Krakau, Polen deze week.

"Dit zijn de eerste papieren die uit de 2016 deuteron-goud botsingen komen, en dit is een indicatie dat we waarschijnlijk QGP creëren in kleine systemen, " zei Julia Velkovska, een plaatsvervangend woordvoerder van PHENIX van de Vanderbilt University. "Maar er zijn andere dingen die we hebben gezien in de grotere systemen die we nog moeten onderzoeken in deze nieuwe gegevens. We zullen op zoek gaan naar ander bewijs van QGP in de kleine systemen met behulp van verschillende manieren om de eigenschappen van het systeem dat we hebben te bestuderen. zijn aan het creëren, " ze zei.

collectieve stroom

Een van de eerste tekenen dat RHIC's botsingen van twee goudionen QGP creëerden, kwam in de vorm van een "collectieve stroom" van deeltjes. Er kwamen meer deeltjes uit de "evenaar" van twee semi-overlappende botsende ionen dan loodrecht op de botsingsrichting. Dit elliptische stroompatroon, wetenschappers geloven, wordt veroorzaakt door interacties van de deeltjes met het bijna "perfecte" - dat wil zeggen vrij stromende - vloeistofachtige QGP die bij de botsingen is ontstaan. Vanaf dat moment, botsingen van kleinere deeltjes met zware ionen hebben geleid tot vergelijkbare stromingspatronen bij zowel RHIC als de LHC, zij het op kleinere schaal. Er zijn ook aanwijzingen dat stromingspatronen een sterke relatie hebben met de geometrische vorm van het projectieldeeltje dat in botsing komt met de grotere kern.

"Met deze resultaten in de hand, we wilden kleinere en kleinere systemen proberen bij verschillende energieën, "Zei Velkovska. "Als je de energie verandert, u kunt de tijd wijzigen dat het systeem in de vloeibare fase blijft, en misschien laten verdwijnen."

Met andere woorden, ze wilden zien of ze het maken van QGP konden uitschakelen.

"Na zoveel jaren hebben we geleerd dat wanneer QGP wordt gecreëerd in de botsingen, we weten hoe we het kunnen herkennen, maar dat betekent niet dat we echt begrijpen hoe het werkt, " zei Velkovska. "We proberen te begrijpen hoe het perfect-vloeibare gedrag ontstaat en evolueert. Wat we nu aan het doen zijn - naar beneden gaan in energie, het veranderen van de grootte is een poging om te leren hoe dit gedrag onder verschillende omstandigheden ontstaat. RHIC is de enige botser ter wereld die een dergelijk scala aan studies over verschillende botsingsenergieën met verschillende botsende deeltjessoorten mogelijk maakt."

De energie verlagen

Over een periode van ongeveer vijf weken in 2016, het PHENIX-team onderzocht botsingen van deuteronen (gemaakt van één proton en één neutron) met goudionen bij vier verschillende energieën (200, 62.4, 39, en 19,6 miljard elektronvolt, of GeV).

"Dankzij de veelzijdigheid van RHIC en het vermogen van het personeel van de Collider-Accelerator-afdeling van Brookhaven om snel te schakelen en de machine af te stemmen op verschillende botsingsenergieën, PHENIX was in staat om in deze korte tijd meer dan 1,5 miljard botsingen te registreren, ' zei Velkovska.

Voor de paper ingediend bij PRC, Darren McGlinchey, een PHENIX-medewerker van het Los Alamos National Laboratory, leidde een analyse van hoe deeltjes ontstonden langs het elliptische vlak van de botsingen als een functie van hun momentum, hoe centraal (volledig overlappend) de botsingen waren, en hoeveel deeltjes werden geproduceerd.

"Het gebruik van een deuteronprojectiel produceert een zeer elliptische vorm, en we zagen een persistentie van die initiële geometrie in de deeltjes die we detecteren, zelfs bij weinig energie, "Zei McGlinchey. Dergelijke vormpersistentie kan worden veroorzaakt door interactie met een QGP die bij deze botsingen is ontstaan. "Dit resultaat is niet voldoende bewijs om te verklaren dat QGP bestaat, maar het is een steeds groter wordend bewijs ervoor, " hij zei.

Ron Belmont, een PHENIX-medewerker van de Universiteit van Colorado, leidde een analyse van hoe de stroompatronen van meerdere deeltjes (twee en vier deeltjes bij elke energie en zes bij de hoogste energie) gecorreleerd waren. Die resultaten werden voorgelegd aan PRL.

"We vonden een zeer vergelijkbaar patroon in correlaties van zowel twee als vier deeltjes voor alle verschillende energieën, en ook in correlaties met zes deeltjes bij de hoogste energie, ' zei Belmont.

"Beide resultaten zijn consistent dat deeltjesstroom wordt waargenomen tot de laagste energie. Dus de twee papieren werken samen om een ​​mooi beeld te schetsen, " hij voegde toe.

Er zijn andere mogelijke verklaringen voor de bevindingen, inclusief het veronderstelde bestaan ​​van een andere vorm van materie die bekend staat als kleurenglascondensaat waarvan wordt gedacht dat het wordt gedomineerd door de aanwezigheid van gluonen in het hart van alle zichtbare materie.

"Om kleurglascondensaat te onderscheiden van QGP, we hebben meer gedetailleerde theoretische beschrijvingen nodig van hoe deze dingen eruit zien, ' zei Belmont.

Velkovska merkte op dat er veel nieuwe studenten zijn aangeworven om de analyse van bestaande gegevens van het PHENIX-experiment voort te zetten, die stopte met het nemen van gegevens na de 2016-run om plaats te maken voor een vernieuwde detector die bekend staat als sPHENIX.

"Er komt nog veel meer van PHENIX, " ze zei.