Quarkgluonplasma (QGP) is een opwindende toestand van materie die wetenschappers in een laboratorium creëren door twee zware kernen met elkaar te laten botsen. Deze botsingen veroorzaken een QGP-vuurbal. De vuurbal zet uit en koelt af volgens de wetten van de hydrodynamica, die bepalen hoe vloeistoffen zich onder verschillende omstandigheden gedragen. Uiteindelijk komen subatomaire deeltjes (protonen, pionen en andere hadronen, of deeltjes bestaande uit twee of meer quarks) tevoorschijn en worden waargenomen en geteld door detectoren die de botsing omringen.

Fluctuaties in het aantal van deze deeltjes van botsing tot botsing bevatten belangrijke informatie over de QGP. Het is echter een moeilijke taak om deze informatie te extraheren uit wat wetenschappers kunnen waarnemen. Een benadering die het maximale entropieprincipe wordt genoemd, zorgt voor een cruciaal verband tussen deze experimentele waarnemingen en de hydrodynamica van de QGP-vuurbal.

De aanpak wordt beschreven in het tijdschrift Physical Review Letters .

Naarmate een QGP-vuurbal uitzet en afkoelt, wordt deze uiteindelijk te verdund om door de hydrodynamica te kunnen worden beschreven. In dit stadium is de QGP ‘gehadroniseerd’. Dit betekent dat de energie en andere kwantumeigenschappen ervan worden gedragen door hadronen. Dit zijn subatomaire deeltjes zoals protonen, neutronen en pionen die zijn opgebouwd uit quarks. De hadronen "bevriezen" - ze bevriezen informatie over de uiteindelijke hydrodynamische toestand van de QGP-vuurbal, waardoor de deeltjes die uit de botsing stromen deze informatie in een experiment naar de detectoren kunnen transporteren.

Het onderzoek biedt een hulpmiddel voor het gebruik van simulaties om waarneembare fluctuaties in de QGP te berekenen. Dit heeft de onderzoekers van de Universiteit van Illinois, Chicago, in staat gesteld om bevriezing te gebruiken om aanwijzingen te identificeren voor een kritiek punt tussen een QGP-vuurbal en een gasvormige gehadroniseerde toestand. Dit kritieke punt is een van de onopgeloste vragen van wetenschappers over de kwantumchromodynamica, de theorie van de sterke gluon-aangedreven interacties tussen quarks.

Fluctuaties in de QGP bevatten informatie over het gebied van het QCD-fasediagram waar de botsingen "bevriezen". Dit maakt het verbinden van fluctuaties in de hydrodynamica met fluctuaties van de waargenomen hadronen een cruciale stap bij het vertalen van experimentele metingen naar de kaart van het QCD-fasediagram. Grote fluctuaties van gebeurtenis tot gebeurtenis zijn veelbetekenende experimentele kenmerken van het kritieke punt.

Gegevens van het Run-I Beam Energy Scan (BES) -programma van de Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) wijzen op de aanwezigheid van het kritieke punt. Om deze hint te volgen, stelden de onderzoekers een nieuwe en universele benadering voor om hydrodynamische fluctuaties om te zetten in fluctuaties van hadronmultipliciteiten.

De aanpak overwint op elegante wijze de uitdagingen waarmee eerdere pogingen om dit probleem op te lossen, gepaard gingen. Cruciaal is dat de nieuwe aanpak, gebaseerd op het principe van maximale entropie, alle informatie behoudt over de fluctuaties van geconserveerde grootheden die door de hydrodynamica worden beschreven. De nieuwe bevriezingsprocedure zal toepassingen vinden in de theoretische berekeningen van fluctuaties en correlaties van gebeurtenis tot gebeurtenis die worden waargenomen in experimenten zoals het Beam Energy Scan-programma bij RHIC, gericht op het in kaart brengen van het QCD-fasediagram.

Meer informatie: Maneesha Sushama Pradeep et al., Maximale entropiebevriezing van hydrodynamische fluctuaties, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.130.162301

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door het Amerikaanse ministerie van Energie