Kernfysici die deeltjesbotsingen bestuderen bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science in het Brookhaven National Laboratory van DOE - hebben nieuw bewijs dat deeltjes die gluonen worden genoemd, een stabiele "verzadigde" toestand bereiken binnen de versnellende ionen. Het bewijs is de onderdrukking van back-to-back paren deeltjes die voortkomen uit botsingen tussen protonen en zwaardere ionen (de kernen van atomen), zoals gevolgd door RHIC's STAR-detector. In een artikel dat zojuist is gepubliceerd in Physical Review Letters , laat de STAR-samenwerking zien dat hoe groter de kern waarmee het proton botst, hoe groter de onderdrukking in deze sleutelsignatuur, zoals voorspeld door theoretische modellen van gluonverzadiging.

"We hebben de soorten van de botsende ionenbundel gevarieerd omdat theoretici voorspelden dat dit teken van verzadiging gemakkelijker waar te nemen zou zijn in zwaardere kernen", legt Brookhaven Lab-natuurkundige Xiaoxuan Chu uit, een lid van de STAR-samenwerking die de analyse leidde. "Het goede is dat RHIC, 's werelds meest flexibele versneller, verschillende soorten ionenbundels kan versnellen. In onze analyse hebben we botsingen van protonen met andere protonen, aluminium en goud gebruikt."

Verzadiging zou gemakkelijker te zien moeten zijn in aluminium, en zelfs gemakkelijker in goud, in vergelijking met eenvoudigere protonen, legde Chu uit, omdat deze grotere kernen meer protonen en neutronen hebben, elk bestaande uit quarks en gluonen.

Eerdere experimenten hebben aangetoond dat wanneer ionen worden versneld tot hoge energieën, gluonen zich splitsen, één in twee, om zich te vermenigvuldigen tot zeer hoge aantallen. Maar wetenschappers vermoeden dat de vermenigvuldiging van gluonen niet eeuwig kan doorgaan. In plaats daarvan, in kernen die dicht bij de snelheid van het licht bewegen, waar relativistische beweging de kernen plat maakt tot gluon "pannenkoeken", zouden overlappende gluonen moeten beginnen te recombineren.

"Als de snelheid van twee gluonen die recombineren tot één de snelheid van de splitsing van enkele gluonen in evenwicht houdt, bereikt de gluondichtheid een stabiele toestand, of plateau, waar het niet omhoog of omlaag gaat. Dat is verzadiging," zei Chu. "Omdat er meer gluonen en meer overlappende gluonen in grotere kernen zijn, zouden deze grotere ionen sneller tekenen van recombinatie en verzadiging moeten vertonen dan kleinere," voegde ze eraan toe.

Scannen op back-to-back paren

Om naar die tekens te zoeken, scanden de STAR-wetenschappers gegevens die in 2015 waren verzameld op botsingen waarbij een paar "pi-nul"-deeltjes de voorwaartse meson-spectrometer van STAR in een back-to-back-configuratie raakten. In dit geval betekent rug aan rug 180 graden ten opzichte van elkaar rond een cirkelvormig doel aan het einde van de detector in de voorwaartse richting van de sonderende protonenbundel. Deze botsingen selecteren interacties tussen een enkele hoogenergetische quark van het indringende proton met een enkel gluon met een laag momentum in het doelion (proton, aluminium of goud).

"We gebruiken de quark van het proton als een hulpmiddel of sonde om het gluon in het andere ion te bestuderen," zei Chu.

Het team was vooral geïnteresseerd in de "lage momentumfractie" gluonen - de veelheid aan gluonen die elk een klein deel van het totale momentum van de kern dragen. Experimenten bij de HERA-versneller in Duitsland (1992-2007) hebben aangetoond dat protonen en alle kernen bij hoge energie worden gedomineerd door deze gluonen met een lage impulsfractie.

In de proton-proton-botsingen zijn de quark-gluon-interacties heel eenvoudig, legde Chu uit. "De twee deeltjes - quark en gluon - raken elkaar en genereren twee pi-nuldeeltjes back-to-back," zei ze.

Maar wanneer een quark van het proton een gluon raakt in een grotere afgeplatte kern, waar veel gluonen elkaar overlappen, kunnen de interacties complexer zijn. De quark - of het getroffen gluon - kan meerdere extra gluonen treffen. Of het gluon kan recombineren met een ander gluon, waarbij alle "geheugen" van zijn oorspronkelijke neiging om een ​​pi-nul uit te zenden, verloren gaat.

Beide processen - meervoudige verstrooiing en gluon-recombinatie - zouden het back-to-back pi-nulsignaal moeten "smeren", legt Elke Aschenauer uit, de leider van de experimentele groep "Cold QCD" van Brookhaven Lab, die details van kwantumchromodynamica (QCD) onderzoekt, de theorie over de interacties van quarks en gluonen in protonen en kernen.

"Dus de proton-protonbotsingen geven ons een basislijn", zei Chu. "Bij deze botsingen hebben we geen verzadiging omdat er niet genoeg gluonen zijn en niet genoeg overlap. Om verzadiging te zoeken, vergelijken we de waarneembare correlatie van twee deeltjes over de drie botsingssystemen."

Resultaten komen overeen met theorievoorspelling

De resultaten kwamen uit zoals de theorieën voorspelden, waarbij de natuurkundigen de minste back-to-back gecorreleerde deeltjes observeerden die de detector raakten in de proton-goudbotsingen, een gemiddeld niveau in proton-aluminiumbotsingen en de hoogste correlatie in het basislijnproton -protonbotsingen.

De onderdrukking van de pi-nulcorrelatie in de grotere kernen, en het feit dat de onderdrukking sterker wordt naarmate de kern groter wordt, zijn duidelijke bewijzen, zeggen de wetenschappers, van gluon-recombinatie die nodig is om gluonverzadiging te bereiken.

"STAR zal deze metingen opvolgen door in 2024 aanvullende gegevens te verzamelen met behulp van recent geüpgradede voorwaartse detectorcomponenten, waarbij andere waarneembare waarnemingen worden gevolgd die ook gevoelig zouden moeten zijn voor verzadiging", verklaarde Brookhaven Lab-natuurkundige Akio Ogawa, een lid van de STAR-samenwerking en een belangrijke speler in het bouwen van de nieuwe forward STAR-detectorsystemen.

Samen zullen de RHIC-resultaten ook een belangrijke basis vormen voor zeer vergelijkbare metingen bij de toekomstige Electron-Ion Collider (EIC), die in Brookhaven wordt gebouwd om elektronen met ionen te laten botsen.

Volgens Aschenauer, een van de natuurkundigen die de plannen voor onderzoek in die faciliteit opstelde:"Als we dit nu bij RHIC meten, bij een botsingsenergie van 200 miljard elektronvolt (GeV), is dat zeer vergelijkbaar met de botsingsenergie die we zullen ga naar de EIC. Dat betekent dat we hetzelfde waarneembare bij de EIC kunnen gebruiken om te testen of recombinatie en verzadiging universele eigenschappen van de kernen zijn, zoals voorspeld door de verzadigingsmodellen."

Het zien van hetzelfde resultaat bij beide faciliteiten, "zou bewijzen dat deze eigenschappen niet afhankelijk zijn van de structuur en het type van de sonde die we gebruiken om ze te bestuderen", zei ze. + Verder verkennen

Licht schijnen op de innerlijke details en het uiteenvallen van deuteronen