Kernfysici proberen te begrijpen hoe deeltjes die quarks en gluonen worden genoemd samenkomen om hadronen te vormen, samengestelde deeltjes gemaakt van twee of drie quarks. Om dit proces te bestuderen, genaamd hadronisatie, een team van kernfysici gebruikte de STAR-detector van de Relativistic Heavy Ion Collider - een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science voor kernfysisch onderzoek in het Brookhaven National Laboratory van DOE - om de relatieve overvloed van bepaalde twee- en drie-quark hadronen te meten ontstaan ​​in energetische botsingen van gouden kernen. De botsingen "smelten" tijdelijk de grenzen tussen de individuele protonen en neutronen waaruit de gouden kernen bestaan, zodat wetenschappers kunnen bestuderen hoe hun innerlijke bouwstenen, de quarks en gluonen, recombineren.

De STAR-fysici bestudeerden deeltjes die zware "charme"-quarks bevatten, die gemakkelijker te volgen zijn dan lichtere deeltjes, om te zien hoe de metingen overeenkwamen met voorspellingen van verschillende verklaringen van hadronisatie. De maten, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , onthulde veel meer drie-quark-hadronen dan zou zijn verwacht door een algemeen aanvaarde verklaring van hadronisatie die bekend staat als fragmentatie. De resultaten suggereren dat, in plaats daarvan, quarks in de dichte deeltjessoep gecreëerd bij RHIC recombineren directer via een mechanisme dat bekend staat als coalescentie.

"Hadrons gemaakt van twee of drie quarks zijn de bouwstenen van zichtbare materie in onze wereld - inclusief de protonen en neutronen die de kernen van atomen vormen. Maar we zien hun innerlijke bouwstenen - de quarks en gluonen - nooit als vrije objecten omdat quarks zijn altijd 'opgesloten' in samengestelde deeltjes, " zei Xin Dong, een fysicus bij het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) van DOE en een leider van deze analyse voor de STAR-samenwerking.

De zware ionenbotsingen van RHIC creëren een toestand van materie die bekend staat als quark-gluonplasma (QGP), een hete deeltjessoep die nabootst hoe het vroege universum was, waarin quarks worden "gedefinieerd, " of vrijlaten, van hun gewone grenzen binnen samengestelde deeltjes die hadronen worden genoemd.

"Door de deeltjes te volgen die uit de botsingen van RHIC stromen, kunnen we het mechanisme van hadronisatie onderzoeken en hoe de sterke kernkracht quarks opgesloten houdt in gewone materie, " zei Helen Caines, een professor aan de Yale University en medewoordvoerder van de STAR Collaboration.

De STAR-natuurkundigen maten gecharmeerde hadronen (hadronen die zware "charm"-quarks bevatten) met behulp van de Heavy Flavor Tracker (HFT) met hoge resolutie, geïnstalleerd in het midden van de 4 meter brede Time Projection Chamber van RHIC's STAR-detector.

"De HFT 'zoomt in' op deeltjes zoals de met drie quark gecharmeerde lambda, die vervalt op minder dan 0,1 millimeter van het centrum van de botsing, " zei Brookhaven Lab-natuurkundige Flemming Videbaek, de STAR HFT-projectmanager.

Door "hits" in de HFT te combineren met metingen van de vervalproducten verder weg in de STAR-detector, natuurkundigen kunnen optellen hoeveel drie-quark gecharmeerde lambda's versus twee-quark gecharmeerde "D-zero" (D0) deeltjes uit de QGP tevoorschijn komen.

"We gebruikten een gesuperviseerde machine learning-techniek om de grote achtergrond te onderdrukken voor de detectie van gecharmeerde lambdadeeltjes, " zei Sooraj Radhakrishnann, een postdoctoraal onderzoeker van Kent State University en Berkeley Lab die de hoofdanalyse heeft uitgevoerd.

De resultaten van STAR telden gecharmeerde lambda's en D0-deeltjes in bijna gelijke aantallen. Dat was veel meer gecharmeerde lambda's dan was voorspeld door een algemeen aanvaard mechanisme van hadronisatie dat bekend staat als fragmentatie.

"Fragmentatie beschrijft nauwkeurig veel experimentele resultaten van experimenten met deeltjesfysica met hoge energie, "Dong zei. Het mechanisme omvat energetische quarks of gluonen die het vacuüm "opwinden" en "splitsen" om quark-antiquark-paren te vormen. Naarmate het splitsingsproces vordert, het creëert een overvloedige pool van quarks en antiquarks die kunnen worden gecombineerd om hadronen van twee en drie quarks te vormen, hij legde uit.

Maar de fragmentatieverklaring voorspelt dat er minder gecharmeerde lambda-deeltjes dan D0-deeltjes zullen ontstaan ​​uit zware ionenbotsingen in het momentumbereik gemeten bij RHIC. STAR's observatie van "charmed baryon enhancement" (resulterend in bijna gelijke aantallen charmed lambda en D0-deeltjes) ondersteunt een alternatief mechanisme voor hadronisatie. Bekend als samensmelting, deze verklaring stelt dat de dichtheid van RHIC's QGP-deeltjessoep quarks dicht genoeg bij elkaar brengt om ze direct te kunnen recombineren tot composietdeeltjes.

"De STAR-resultaten suggereren dat coalescentie een belangrijke rol speelt bij de hadronisatie van charm-quarks bij botsingen met zware ionen, tenminste in het momentumbereik gemeten in dit experiment, ' zei Dong.

Het begrijpen van het mechanisme van samensmelting kan nieuwe inzichten bieden die helpen onthullen hoe quarks en gluonen worden opgesloten in hadronen om de structuur van atoomkernen op te bouwen - de kern van de materie die alles vormt dat zichtbaar is in onze wereld.