science >> Wetenschap >  >> Fysica

Creatie zonder contact in de botsingen van lood- en goudkernen

Semi-centrale of centrale botsingen van loodkernen in de LHC produceren quark-gluonplasma en een cocktail met bijdragen van andere deeltjes. Tegelijkertijd, wolken van fotonen rond de kernen botsen, resulterend in de vorming van lepton-antilepton-paren in het plasma en de cocktail, en in de ruimte rond de kernen. Krediet:IFJ PAN

Wanneer zware ionen, versneld tot de lichtsnelheid, botsen met elkaar in de diepten van Europese of Amerikaanse versnellers, quark-gluon plasma wordt gevormd voor fracties van een seconde, of zelfs zijn 'cocktail' gekruid met andere deeltjes. Volgens wetenschappers van de IFJ PAN, experimentele data laten zien dat er onderschatte acteurs op het toneel zijn:fotonen. Hun botsingen leiden tot de emissie van schijnbaar overtollige deeltjes, waarvan de aanwezigheid niet kon worden verklaard.

Quark-gluonplasma is ongetwijfeld de meest exotische toestand van de materie die we tot nu toe kennen. In de LHC bij CERN bij Genève, het wordt gevormd tijdens centrale botsingen van twee loodionen die elkaar vanuit tegengestelde richtingen naderen, reizen met snelheden die heel dicht bij die van het licht liggen. Deze quark-gluonsoep wordt soms ook op smaak gebracht met andere deeltjes. Helaas, de theoretische beschrijving van de gang van zaken met plasma en een cocktail van andere bronnen beschrijft de in de experimenten verzamelde gegevens niet. In een artikel gepubliceerd in Natuurkunde Letters B , een groep wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau legde de reden voor de waargenomen discrepanties uit. Gegevens verzameld tijdens botsingen van loden kernen in de LHC, evenals tijdens botsingen van gouden kernen in het RHIC in het Brookhaven National Laboratory in de buurt van New York, beginnen in te stemmen met de theorie wanneer de beschrijving van de processen rekening houdt met botsingen tussen fotonen die beide op elkaar inwerkende ionen omringen.

"Met een snufje zout, je zou kunnen zeggen dat met voldoende hoge energieën, massieve ionen botsen niet alleen met hun protonen en neutronen, maar zelfs met hun fotonenwolken, " zegt Dr. Mariola Klusek-Gawenda (IFJ PAN) en verduidelijkt meteen:"Bij het beschrijven van de botsing van ionen in de LHC hebben we al rekening gehouden met botsingen tussen fotonen. Echter, ze hadden alleen betrekking op ultraperifere botsingen, waarin de ionen elkaar niet raken, maar onveranderd langs elkaar gaan, alleen interactie met hun eigen elektromagnetische velden. Niemand dacht dat fotonenbotsingen een rol zouden kunnen spelen in gewelddadige interacties waarbij protonen en neutronen samensmelten tot een quark-gluonsoep."

In omstandigheden die bekend zijn uit het dagelijks leven, fotonen botsen niet met elkaar. Echter, als we te maken hebben met massieve ionen die worden versneld tot bijna de lichtsnelheid, de situatie verandert. De gouden kern bevat 79 protonen, de loden kern maar liefst 82, dus de elektrische lading van elk ion is dienovereenkomstig vele malen groter dan de elementaire lading. De dragers van elektromagnetische interacties zijn fotonen, dus elk ion kan worden behandeld als een object omgeven door een wolk van vele fotonen. Bovendien, in de RHIC en LHC, de ionen bewegen met snelheden die dicht bij die van licht liggen. Als resultaat, vanuit het oogpunt van de waarnemer in het laboratorium, zowel zij als hun omringende wolken van fotonen lijken extreem dunne plekken te zijn, afgeplat in de bewegingsrichting. Bij elke passage van zo'n proton-neutronen pannenkoek, er is een extreem gewelddadige oscillatie van de elektrische en magnetische velden.

In de kwantumelektrodynamica, de theorie die wordt gebruikt om elektromagnetisme te beschrijven met betrekking tot kwantumverschijnselen, er is een maximale kritische waarde van het elektrische veld, in de orde van tien tot zestien volt per centimeter. Het is van toepassing op statische elektrische velden. In het geval van botsingen van massieve atoomkernen in de RHIC of LHC, we hebben te maken met dynamische velden die slechts voor miljoensten van een miljardste van een miljardste van een seconde verschijnen. Voor zo'n extreem korte tijd, de elektrische velden bij botsingen van ionen kunnen zelfs 100 keer sterker zijn dan de kritische waarde.

"In feite, de elektrische velden van ionen die botsen in de LHC of RHIC zijn zo krachtig dat ze virtuele fotonen genereren en hun botsingen plaatsvinden. Als gevolg van deze processen, lepton-antilepton-paren worden gevormd op verschillende punten rond de ionen waar voorheen niets materieels was. De deeltjes van elk paar bewegen op een karakteristieke manier van elkaar weg:typisch in tegengestelde richtingen en bijna loodrecht op de oorspronkelijke bewegingsrichting van de ionen, " legt Dr. Wolfgang Schäfer (IFJ PAN) uit en wijst erop dat de familie van leptonen elektronen en hun massievere tegenhangers omvat:muonen en tauonen.

Foton-interacties en de productie van lepton-antilepton-paren die ermee geassocieerd zijn, zijn cruciaal bij perifere botsingen. Dergelijke botsingen werden enkele jaren geleden door de natuurkundigen uit Krakau beschreven. Tot hun verbazing, ze zijn er nu in geslaagd om aan te tonen dat dezelfde verschijnselen ook een significante rol spelen bij directe botsingen van kernen, zelfs centrale. De gegevens die zijn verzameld voor goudkernen in de RHIC en loodkernen in de LHC laten zien dat tijdens dergelijke botsingen een bepaald "overtollig" aantal elektron-positronparen verschijnt, die relatief langzaam divergeren in richtingen die bijna loodrecht op de ionenbundels staan. Het is mogelijk geweest hun bestaan ​​precies te verklaren door rekening te houden met de productie van lepton-antilepton-paren door botsende fotonen.

"De echte kers op de taart voor ons was het feit dat door de bestaande tools voor de beschrijving van massale ionenbotsingen aan te vullen met ons formalisme gebaseerd op de zogenaamde Wigner-distributiefunctie, we zouden eindelijk kunnen verklaren waarom de detectoren van de grootste hedendaagse versnellerexperimenten dit soort distributies registreren van leptonen en antileptonen die ontsnappen van de plaats van de nucleaire botsingen (voor een bepaalde centraliteit van de botsing). Ons begrip van de belangrijkste processen die hier plaatsvinden is completer geworden, " concludeert prof. Antoni Szczurek (IFJ PAN).

Het werk aan het Krakau-model van foton-fotonbotsingen werd gefinancierd door het Poolse National Science Center. Het model heeft de interesse gewekt van natuurkundigen die werken met de ATLAS- en ALICE-detectoren van de LHC en zal worden gebruikt in de volgende analyses van experimentele gegevens.