De ALICE-samenwerking is een grote groep onderzoekers van meer dan 100 natuurkundige instituten over de hele wereld die zich richt op de studie van quark-gluon-plasma met behulp van gegevens die zijn verzameld door de ALICE-detector (A Large Ion Collider Experiment). ALICE is een zware-ionendetector die is ontworpen om de fysica van sterk op elkaar inwerkende materie bij extreme energiedichtheden te onderzoeken, dat deel uitmaakt van CERN's Large Hadron Collider (LHC) deeltjesversnellerring.

Een van de belangrijkste doelstellingen van het ALICE-experiment is om een ​​beter begrip te krijgen van de eigenschappen van de quark-gluon-plasmavormen tijdens hoogenergetische botsingen tussen zware kernen. Het experiment heeft onlangs geleid tot een aantal interessante waarnemingen, beschreven in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , die het eerste bewijs leveren van spin-orbitale impulsmomentinteracties in relativistische botsingen met zware ionen.

"Als botsingen met hoge energie tussen zware kernen niet-centraal zijn (dat wil zeggen, niet direct), ze geven aan het gevormde plasma een zeer groot impulsmoment, geschat in de orde van 10 ⁷ ħ - gelijk aan de orde van 10 ²¹ omwentelingen per seconde, "Luciano Musa, woordvoerder van de ALICE-samenwerking, vertelde Phys.org. "In vereenvoudigde taal, er wordt een extreem snel ronddraaiende druppel quarks en gluonen gevormd. Quarks, anderzijds, een kwantummechanische eigenschap hebben genaamd spin, wat analoog is aan een rotatie om een ​​as."

Het grote impulsmoment van het quark-gluonplasma gevormd bij botsingen met zware ionen kan zijn, tot op zekere hoogte, overgebracht naar individuele quarks, hun draairichtingen op één lijn brengen. Dit kwantummechanische effect, bekend als spin-baan interactie, kan ook in andere gevallen worden waargenomen, bijvoorbeeld, tussen elektronen, die ook rond atoomkernen draaien en "draaien".

"Spin-orbit-interacties werden eerder bestudeerd met behulp van verschillende botsende systemen, maar het grote impulsmoment van het plasma gegenereerd bij botsingen van loden kernen bij de LHC bood een unieke kans om naar dit fundamentele kwantummechanische effect te zoeken in een systeem van gedeconfineerde quarks, "Andrea Dainese, natuurkundecoördinator voor het ALICE-experiment, vertelde Phys.org.

Volgens theoretische voorspellingen de spin-baan interactie in quark-gluon plasma zou de spin van quarks op één lijn moeten brengen, die een spinkwantumgetal van 1/2 hebben. De quarks uit het plasma moeten dan in paren binden om mesonen te vormen met ofwel spin 0 (d.w.z. scalaire mesonen), waarin de twee quarks tegengestelde spinoriëntatie hebben, of draai 1 (d.w.z. vector mesonen), waarin de twee quarks dezelfde spinoriëntatie hebben.

Voorspellingen suggereren dat de uitlijning van quark-spins dan zou resulteren in een uitlijning van vectormeson-spins. De ALICE-samenwerking heeft dit effect waargenomen, het verzamelen van het eerste bewijs van spin-uitlijning in de vervalproducten van wat bekend staat als neutrale K* en φ (phi) vectormesonen.

"We hebben deze spin-uitlijning bestudeerd door de hoekverdeling van de vervalproducten van de vectormesonen te meten, " legde Musa uit. "Het sterkste signaal werd gezien voor K*-mesonen en de bevestiging dat het signaal wordt geïnduceerd door spin-uitlijning werd verkregen door het ontbreken van een soortgelijk signaal voor neutrale K-mesonen, die spin 0 hebben. De huidige metingen zijn een stap in de richting van het experimenteel vaststellen van spin-baan-interacties in de relativistische-QCD-materie van het quark-gluon-plasma."

De ALICE-samenwerking is de eerste onderzoeksgroep die bewijs publiceert dat overeenkomt met theoretische voorspellingen van een grote spin-uitlijning van vectormesonen bij botsingen van zware kernen. Hun metingen zijn een belangrijke prestatie in de studie van quark-gluonplasma, omdat ze de voorspelling ondersteunen dat dit plasma een initiële vorticiteit bezit met een ongekend hoog impulsmoment, wat leidt tot quark-spinuitlijning via spin-baaninteracties. Hun werk biedt zinvolle inzichten die toekomstige studies naar de eigenschappen van quark-gluonplasma kunnen informeren.

De ALICE-detector ondergaat momenteel een grote upgrade, en in 2022, wanneer de LHC-gegevensverzamelingscampagnes van CERN weer van start gaan, het zou in staat moeten zijn om Pb-Pb-botsingsmonsters op te nemen die 50 keer groter zijn dan die welke tot nu toe zijn verzameld. Deze gegevens zullen veel nauwkeuriger zijn dan de bestaande gegevens en zouden dus kunnen leiden tot nieuwe fascinerende ontdekkingen over quark-gluonplasma.

"Nieuwe studies met de geladen K*, dat een magnetisch moment heeft dat zeven keer groter is dan dat van neutrale K*, kan zelfs een directe waarneming mogelijk maken van het effect van het zeer grote magnetische veld dat in het quark-gluonplasma wordt geproduceerd door de snelle rotatie van elektrisch geladen deeltjes, " zei Dainese. "Dit magnetische veld wordt geschat op zo'n 10 . ¹⁴ Tesla, maar verdwijnt in een tijd zo kort 10 ^-23 seconden! In aanvulling, het is ook vermeldenswaard dat de neutrale K*-spinuitlijning verrassend groot is in vergelijking met de polarisatie gemeten voor Λ-hyperonen. Daarom, verdere studies van het effect met meer precisie zullen zeer interessant zijn, evenals van andere effecten die vanuit verschillende hoeken verband kunnen houden met dezelfde natuurkundige mechanismen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk