Wetenschappers die deeltjesbotsingen bestuderen bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) hebben onthuld hoe bepaalde deeltjesstralen energie verliezen terwijl ze de unieke vorm van nucleaire materie doorkruisen die bij deze botsingen is ontstaan. De resultaten, gepubliceerd in Physical Review C , zou hen moeten helpen meer te weten te komen over de belangrijkste "transporteigenschappen" van deze hete deeltjessoep, bekend als een quark-gluonplasma (QGP).

"Door te kijken hoe deeltjesstralen vertragen terwijl ze door de QGP bewegen, kunnen we leren over de eigenschappen ervan op dezelfde manier als bestuderen hoe objecten door water bewegen, je iets kan vertellen over de dichtheid en viscositeit ervan", zegt Raghav Kunnawalkam Elayavalli, een postdoctoraal fellow aan Yale University en lid van RHIC's STAR-experimentsamenwerking.

Maar er zijn meerdere manieren waarop een straaljager energie kan verliezen - of 'uitgeblust' kan worden. Het kan dus moeilijk zijn om te zeggen welke van die oorzaken het uitdovende effect veroorzaakt.

Met de nieuwe bevindingen heeft STAR voor het eerst een specifieke populatie jets geïdentificeerd waarvan de natuurkundigen zeggen dat ze het mechanisme duidelijk kunnen identificeren:individuele quarks die gluonen uitstoten terwijl ze interageren met de QGP.

Theoretici kunnen de gegevens nu gebruiken om hun berekeningen te verfijnen die de fundamentele eigenschappen van de hete kwarksoep beschrijven.

"Jets zijn erg handig omdat ze je vertellen hoe deze quarks met zichzelf omgaan", zegt Kolja Kauder, een andere hoofdauteur van de analyse, die fysicus is bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, waar RHIC is gevestigd. "Dit is de essentie van 'kwantumchromodynamica' - de theorie die de kernkrachtinteracties van quarks en gluonen beschrijft. We leren meer over die fundamentele natuurkracht door te bestuderen hoe deze jets worden uitgeblust."

In het begin

De sterke kracht speelt een belangrijke rol bij het opbouwen van de structuur van alles wat we tegenwoordig in het universum zien. Dat komt omdat alle zichtbare materie is gemaakt van atomen met protonen en neutronen in hun kern. Die deeltjes zijn op hun beurt weer opgebouwd uit quarks, die bij elkaar worden gehouden door de uitwisseling van sterke krachtdragende deeltjes - de lijmachtige gluonen.

Maar quarks waren niet altijd aan elkaar gebonden. Wetenschappers geloven dat quarks en gluonen heel vroeg in het universum vrij rondzwierven, slechts een microseconde na de oerknal, voordat de oersoep van de fundamentele bouwstenen van de materie voldoende was afgekoeld om protonen en neutronen te vormen. RHIC, een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science voor kernfysisch onderzoek, werd gebouwd om dit quark-gluonplasma te recreëren en te bestuderen.

RHIC bootst de quarksoep van het vroege universum na door de kernen van zware atomen zoals goud met bijna de lichtsnelheid frontale botsingen te sturen. De vrijgekomen energie creëert duizenden nieuwe subatomaire deeltjes, waaronder quarks (onthoud dat energie massa kan creëren en vice versa via de beroemde vergelijking E=mc ² ). Het "smelt" ook de grenzen van de individuele protonen en neutronen om de interne quarks en gluonen vrij te maken.

Wetenschappers volgen al meer dan twee decennia hoe verschillende soorten deeltjes door het resulterende quark-gluon-plasma stromen. Deze omvatten gecollimeerde sprays, of stralen, van deeltjes die het gevolg zijn van de fragmentatie van een quark of gluon. De wetenschappers hebben over het algemeen ontdekt dat deeltjes en jets met een hoog momentum energie verliezen wanneer ze door de klodder hete QGP gaan. Door deze nieuwe studie hebben ze details geïdentificeerd van een specifiek mechanisme voor jetquenching in een subset van jets.

'dijets' volgen vanuit verschillende hoeken

Deze studie was specifiek gericht op jets van deeltjes die back-to-back werden geproduceerd (dijets genoemd), waarbij één jet dicht bij het oppervlak van de QGP-blob gemakkelijk met veel energie ontsnapt, terwijl de terugstootstraal die een langere route in de tegenovergestelde richting aflegt, geblust door het plasma. STAR-natuurkundigen volgden de energie van deeltjes die de "kegel" van de terugstootstraal vormen. Als je dat vergelijkt met de energie van de ontsnapte (of "trigger") jet, kun je zien hoeveel energie er verloren is gegaan.

Ze verdeelden ook alle gebeurtenissen in die met relatief smalle stralen en die met een grotere nevel van deeltjes.

"Onze intuïtie vertelt ons dat iets breders dat door het medium beweegt meer energie zou moeten verliezen", zei Kunnawalkam Elayavalli. "Als de jet smal is, kan hij erdoorheen slaan en zou je minder energieverlies verwachten dan bij een bredere jet, die meer van het plasma ziet. Dat was de verwachting."

Denk aan een grote zwemmer die zich op een niet-gestroomlijnde manier door het water beweegt, stelde hij voor. Je zou een breder kielzog verwachten dat verder van de persoon af beweegt dan het kielzog van een slanke, gestroomlijnde zwemmer. In het geval van de deeltjes verwachtten de natuurkundigen dat het bredere "kielzog" geproduceerd door bredere jets deeltjes buiten de grenzen van hun detectie zou duwen.

"Maar wat we ontdekten, is dat met deze specifieke subset van jets die we bij RHIC hebben bestudeerd, het niet uitmaakt wat de openingshoek van de jet is; ze verliezen allemaal op dezelfde manier energie."

Voor zowel de smalle als de brede jets, zou het optellen van de energie van alle deeltjes met een hoog momentum en een laag momentum in de "kegel" alle energie kunnen verklaren die "verloren" gaat bij het blussen. Dat wil zeggen, terwijl deze jets wel energieverlies ondervonden, in zowel de brede als de smalle jets, werd de verloren energie omgezet in deeltjes met een lager momentum die binnen de jetkegel bleven.

"Wanneer de jets energie verliezen, wordt die verloren energie omgezet in deeltjes met een lager momentum. Je kunt niet zomaar energie verliezen, het moet worden behouden", zei Brookhaven's Kauder. De verrassing was dat alle energie in de kegel bleef.

De implicaties

De resultaten hebben belangrijke implicaties voor het begrijpen wanneer het afschrikken voor deze jets plaatsvindt.

"Het niet zien van een verschil tussen de brede en smalle jets betekent dat het mechanisme van energieverlies onafhankelijk is van de onderbouw van de jet. Het energieverlies moet hebben plaatsgevonden voordat de jets splitsten - voordat er een openingshoek was, smal of breed," Kunnawalkam zei Elayavalli.

De meest waarschijnlijke opeenvolging van gebeurtenissen:"Waarschijnlijk een enkele quark die het plasma doorkruiste, straalde gluonen uit (gaf energie af) terwijl het interageerde met andere quarks in het QGP, waarna het splitste om de jet-substructuur te produceren. De gluonen veranderen in andere deeltjes met een lager momentum die blijf binnen de kegel, en dat zijn de deeltjes die we meten," zei hij.

Als het energieverlies plaatsvond na de straalsplitsing, zou elk deeltje waaruit de straalsubstructuur bestaat, energie hebben verloren, met een grotere kans dat deeltjes zich buiten de straalkegel zouden verspreiden - met andere woorden, een "kielzog" vormen buiten het gebied waar de natuurkundigen zou ze kunnen meten.

Het kennen van het specifieke mechanisme van energieverlies voor deze jets zal theoretici helpen bij het verfijnen van hun berekeningen van hoe het energieverlies zich verhoudt tot de QGP-transporteigenschappen - eigenschappen die enigszins analoog zijn aan de viscositeit en dichtheid van water. Het geeft natuurkundigen ook een manier om meer te begrijpen over de fundamentele sterke-kracht-interacties tussen quarks.

"Het verkrijgen van een kwantitatief begrip van de eigenschappen van dit plasma is van het grootste belang voor het bestuderen van de evolutie van het vroege universum," zei Kunnawalkam Elayavalli, "inclusief hoe die oersoep van deeltjes de protonen en neutronen werden van de kernen van atomen waaruit onze wereld bestaat vandaag.

"Deze meting begint in wezen het volgende tijdperk van jetfysica bij RHIC, waardoor we de ruimte-tijd-evolutie van de QGP differentieel kunnen bestuderen." + Verder verkennen

Eerste directe waarneming van het dode-kegeleffect in de deeltjesfysica