Hoogenergetische ionenbotsingen bij de Large Hadron Collider kunnen een quark-gluonplasma produceren. Maar zijn zware atoomkernen echt nodig voor de vorming ervan? En vooral:hoe worden later uit dit plasma secundaire deeltjes geboren? Verdere aanwijzingen in de zoektocht naar antwoorden op deze vragen worden geleverd door de nieuwste analyse van botsingen tussen protonen en protonen of ionen, waargenomen in het LHCb-experiment.

Wanneer zware atoomkernen met de hoogste energieën in de LHC botsen, ontstaat er voor een onvoorstelbaar kort moment een quark-gluon-plasma. Dit is een exotische toestand van materie waarin quarks en gluonen, die normaal gesproken gevangen zitten in protonen of neutronen, niet langer stevig met elkaar verbonden zijn. Deze toestand is niet permanent:naarmate de temperatuur daalt, hadroniseren de quarks en gluonen snel, dat wil zeggen dat ze zich opnieuw met elkaar verbinden, waardoor stromen secundaire deeltjes ontstaan ​​die onder verschillende hoeken uiteenlopen.

De details van het hadronisatieproces, een fenomeen dat cruciaal is voor ons begrip van de fundamenten van de fysieke realiteit, blijven nog steeds een mysterie. Nieuwe aanwijzingen zijn geleverd door de zojuist voltooide analyses van botsingen van het LHCb-experiment, uitgevoerd met medewerking van natuurkundigen van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau.

De bevindingen worden gepubliceerd in het Journal of High Energy Physics .

"Hadronisatie vindt plaats op tijdschalen van yoctoseconden, d.w.z. biljoensten van een biljoenste van een seconde, over afstanden ter grootte van femtometers, d.w.z. miljoensten van een miljardste van een meter. Verschijnselen die zo extreem snel optreden en op zulke microscopische schalen zullen voor een langere periode niet direct waarneembaar zijn. Het zal nog lang duren – misschien nooit”, legt prof. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN), co-auteur van het artikel, uit.

‘We proberen daarom af te leiden wat er met het quark-gluon-plasma gebeurt door te kijken naar bepaalde specifieke kwantumcorrelaties tussen de deeltjes die bij botsingen ontstaan. We voeren dergelijke analyses al jaren uit, waarbij we geleidelijk aan een nauwkeuriger beeld van het fenomeen opbouwen als de hoeveelheid verwerkte gegevens neemt toe."

Wat zijn kwantumcorrelaties precies? In de kwantummechanica worden deeltjes beschreven met behulp van golffuncties. Als er veel deeltjes in het systeem zijn dat wordt bestudeerd, kunnen hun golffuncties elkaar overlappen. Net als bij normale golven treedt er dan interferentie op. Als de golffuncties daardoor worden onderdrukt, spreken we van Fermi-Dirac-correlaties, als ze worden versterkt:Bose-Einstein-correlaties. Het zijn deze laatste correlaties, kenmerkend voor identieke deeltjes, die de aandacht van wetenschappers hebben getrokken.

De onderzoekers concentreerden hun aandacht op Bose-Einstein-correlaties die verschenen tussen paren pionen, of pi-mesonen. Soortgelijke analyses waren al uitgevoerd op gegevens van andere detectoren die bij de LHC-versneller werkten, maar deze hadden alleen betrekking op deeltjes die onder grote hoeken divergeren ten opzichte van het botsingspunt.

Ondertussen heeft het unieke ontwerp van de LHCb-detector natuurkundigen in staat gesteld om voor het eerst te kijken naar deeltjes die "voorwaarts" worden uitgezonden, onder hoeken die niet meer dan een tiental graden afwijken van de richting van de oorspronkelijke straal. De verkregen resultaten completeren dus het beeld van het fenomeen dat is opgebouwd door metingen in de andere experimenten bij de LHC.

De keuze voor de "voorwaartse" richting was niet de enige nieuwigheid. De analyse is uitgevoerd voor zogenaamde kleine systemen, dat wil zeggen voor proton-proton-, proton-ion- en ion-proton-botsingen (de laatste twee gevallen zijn niet identiek, omdat in één geval slechts één proton met hoge snelheid beweegt, terwijl in het in het andere geval bestaat de kern uit veel protonen en neutronen).

De onderzoekers wilden onder meer uitzoeken of de collectieve verschijnselen die worden waargenomen bij kern-kernbotsingen, geassocieerd met quark-gluon-plasma, ook zouden kunnen optreden bij botsingen van kleinere deeltjessystemen.

‘We hebben de correlaties die we vonden aan verdere verificatie onderworpen. We hebben bijvoorbeeld getest hoe ze afhankelijk zijn van verschillende variabelen, zoals de veelheid aan geladen deeltjes. Bovendien konden we, omdat alle botsingen met dezelfde detectoren en onder dezelfde omstandigheden werden geregistreerd, eenvoudig controleren of onze correlaties veranderen onder verschillende configuraties van botsende deeltjessystemen", zegt prof. Kucharczyk.

De conclusies van de analyses zijn interessant. Alles wijst erop dat quark-gluon-plasma bij de LHC kan worden geproduceerd, zelfs bij botsingen met enkele protonen. Tegelijkertijd lijken de bronnen van secundaire deeltjesemissie bij proton-protonbotsingen kleiner te zijn dan bij gemengde botsingen. Er werd ook een interessant verband waargenomen tussen correlaties en hoeken met betrekking tot de bundelas van deeltjes die bij de botsingen ontstonden.

“De observatie van correlaties in kleine systemen heeft geleid tot een discussie over hun oorsprong. Met name de vraag of ze dezelfde oorsprong hebben als bij botsingen met zware ionen is intrigerend, en bijgevolg, wat precies de omstandigheden zijn die nodig zijn om een ​​quark te produceren. -gluonplasma? Sommige huidige modellen van dit plasma gaan uit van de aanwezigheid van collectieve verschijnselen in het plasma, geassocieerd met stromingen. De resultaten van onze analyses lijken dichter bij zulke hydrodynamische modellen te liggen,' voegt prof. Kucharczyk toe.

Alleen dat:hebben we echt te maken met quark-gluon-plasmastromen tijdens de hadronisatie? De momenteel bestaande theoretische modellen van het fenomeen zijn fenomenologisch van aard, wat betekent dat ze moeten worden gekalibreerd met gegevens verkregen uit experimenten.

Desondanks kan geen van de modellen de resultaten van metingen met voldoende nauwkeurigheid reproduceren. Het lijkt er daarom op dat er nog veel werk te doen is voor natuurkundigen voordat de ware aard van quark-gluon-plasmaprocessen bekend is.

Meer informatie: Aaij, R et al, Studie van de Bose-Einstein-correlaties van pionen met hetzelfde teken bij botsingen tussen protonen en lood, Journal of High Energy Physics (2023). DOI:10.1007/JHEP09(2023)172

Aangeboden door de Poolse Academie van Wetenschappen