Botsingen van loden kernen vinden plaats onder extreme fysieke omstandigheden. Hun verloop kan worden beschreven aan de hand van een model dat ervan uitgaat dat de transformerende, extreem hete materie - het quark-gluon-plasma - stroomt in de vorm van honderden strepen. Tot nu, de "vuurstrepen" leken puur theoretische structuren te zijn. Echter, de laatste analyse van botsingen van individuele protonen versterkt de hypothese dat ze een echt fysiek fenomeen vertegenwoordigen.

in 2017, natuurkundigen van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau presenteerden een tot de verbeelding sprekend model van de verschijnselen die optreden tijdens botsingen van loodkernen bij hoge energieën. Het model ging ervan uit dat de exotische materie die bij de botsingen ontstaat, het quark-gluon plasma, beweegt weg van het inslagpunt in de vorm van talrijke strepen die zich uitstrekken langs de oorspronkelijke bewegingsrichting van de kernen. Deze strepen bewegen sneller naarmate ze verder van de botsingsas verwijderd zijn. Nu hebben de onderzoekers het "fire streaks" -model toegepast op veel eenvoudigere proton-proton-botsingen. Toen ze hun voorspellingen vergeleken met de gegevens verzameld in de experimenten in het Europese nucleaire onderzoekscentrum van CERN, ze waren nogal verrast.

Loodkernen bevatten meer dan tweehonderd protonen en neutronen. Wanneer twee van zulke grote objecten botsen met een voldoende grote energie, er ontstaat een vloeibaar mengsel van quarks en gluonen (deeltjes die onder normale omstandigheden quarks samenklonteren tot protonen en neutronen). Het quark-gluonplasma zet snel uit en koelt tegelijkertijd af. Als resultaat, het bestaat zo kort en in zo'n klein gebied van de ruimte (slechts honderden miljoensten van een miljardste van een meter) dat we het niet direct kunnen waarnemen. In aanvulling, de interacties tussen de plasmadeeltjes worden gedomineerd door sterke krachten die zo complex zijn dat de moderne natuurkunde ze simpelweg niet kwantitatief kan beschrijven. Sporen van het quark-gluonplasma zijn alleen indirect te zien, in deeltjes afkomstig van de plaats van aanvaring. De theorie voorziet dat als het quark-gluonplasma daadwerkelijk wordt geproduceerd, detectoren zouden een duidelijk groter aantal vreemde deeltjes moeten registreren (d.w.z. die vreemde quarks bevatten).

"De proton-proton-botsingen in de CERN-versnellers produceren weinig vreemde deeltjes. Het is dus algemeen aanvaard dat het quark-gluon-plasma niet ontstaat tijdens deze botsingen. We hebben hiermee rekening gehouden in ons model van vuurstrepen, en vervolgens confronteerden we zijn voorspellingen met gegevens van het NA49-experiment bij de SPS-versneller. De naleving was opvallend goed. We kunnen dus zeggen dat we nu een vuurstreep hebben 'gezien' in kwalitatief verschillende fysieke omstandigheden, waar we het helemaal niet hadden verwacht!" legt Dr. Andrzej Rybicki (IFJ PAN) uit, een van de auteurs van de publicatie in Fysieke beoordeling C .

"We moesten de botsing van twee loden kernen modelleren als een combinatie van enkele honderden vuurstrepen. Onder deze omstandigheden is het moeilijk om uitspraken te doen over de eigenschappen van een enkele streak. toen we de snelheidsverdeling uit het model haalden, d.w.z. de relativistische snelheid van de deeltjes geproduceerd door een enkele streep, het bleek dat zijn vorm de echte gegevens van deeltjesproductiemetingen in proton-protonbotsingen heel goed beschrijft, " legt Mirek Kielbowicz uit, doctoraat student aan de IFJ PAN.

Om de grafieken verkregen met behulp van het fire streak-model dat is geconstrueerd voor botsingen van loden kernen overeen te laten komen met de experimentele gegevens voor proton-proton-botsingen, ze moesten worden geschaald met een factor 0,748. De onderzoekers van Krakau toonden aan dat deze parameter niet vrij is. In feite, het verschijnt in de berekeningen nadat rekening is gehouden met veranderingen in de energiebalans veroorzaakt door de variërende productie van vreemde deeltjes en kan worden gereproduceerd uit experimentele gegevens. Dit was een ander sterk argument ter ondersteuning van de fysieke correctheid van het model.

"Ik werk aan het fire streak-model als onderdeel van mijn masterscriptie, dus het verbaasde me niet dat het gegevens beschrijft van kern-kernbotsingen over een groot energiebereik. Echter, toen ik zag dat de door ons geëxtraheerde fragmentatiefunctie zo goed overeenkomt met de gegevens van proton-protonbotsingen, het was moeilijk om mijn verbazing te verbergen, " herinnert Lukasz Rozplochowski zich, een student aan de Jagiellonian University die samenwerkt met het wetenschappelijke team van de IFJ PAN.

De materie die voortkomt uit proton-proton botsingen, koeler en kwalitatief anders dan het quark-gluon plasma, lijkt zich daarom te gedragen als een enkele vuurstreep. Sommige eigenschappen, zoals de snelheid van de uitgezonden deeltjes of hun verval, lijken om de een of andere reden verbazingwekkend op de eigenschappen van de vuurstrepen van quark-gluonplasma. En aangezien het quark-gluonplasma wordt gevormd bij hogere energieën en bij botsingen van kwantumobjecten met een grotere complexiteit, het wordt legitiem om te zeggen dat het enkele kenmerken van materie erft die vuurstrepen vormen bij proton-protonbotsingen.

"Toen we kern-kernbotsingen beschreven, vuurstrepen waren voor ons slechts abstracte structuren, iets puur theoretisch. We gingen niet in op hun fysieke aard, in wat ze in werkelijkheid zouden kunnen zijn. We hebben een echte schok ervaren bij het combineren van experimentele gegevens met ons model, we ontdekten dat wat ontstaat bij proton-protonbotsingen zich precies gedraagt ​​als onze enkele vuurstreep, " vat Dr. Rybicki samen.

De resultaten van de laatste analyse, uitgevoerd door de natuurkundigen van Krakau onder de SONATA BIS-beurs nr. 2014/14 / E / ST2 / 00018 van het National Science Centre in Polen, versterken zo de veronderstelling dat vuurstrepen, volgens de theorie gevormd zowel in proton-proton en kern-nucleus botsingen, zijn te wijten aan echte fysieke processen die plaatsvinden in de stroomstromen van extreem hete kwantummaterie.