Τι συμβαίνει όταν το πλάσμα κουάρκ-γλοιονίων «πιτσιλάει» κατά τη διάρκεια των πιο ενεργειακών συγκρούσεων σωματιδίων;

Νέα δεδομένα από συγκρούσεις σωματιδίων στον Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), έναν «σπαστήρα ατόμων» στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE), αποκαλύπτουν πώς η πρωταρχική σούπα που δημιουργείται στις πιο ενεργειακές συγκρούσεις σωματιδίων «πιτσιλάει» πλευρικά όταν χτυπιέται από μια δέσμη ενεργητικών σωματιδίων.

QGP – Πλάσμα κουάρκ-γλοιονίων

Η απόδειξη προέρχεται από την πρώτη μέτρηση στον RHIC επανασυναρμολογημένων δεσμών (jets) που παράγονται σε συγκρούσεις πλάτη με πλάτη με φωτόνια, σωματίδια φωτός. Οι επιστήμονες εδώ και καιρό περίμεναν να χρησιμοποιήσουν μετρήσεις δεσμών που σχετίζονται με φωτόνια για να μελετήσουν την ύλη που παράγεται σε αυτές τις συγκρούσεις.

Τα ευρήματα, που περιγράφονται σε δύο άρθρα που μόλις δημοσιεύθηκαν στα Physical Review Letters και Physical Review C, προσφέρουν νέα κατανόηση αυτής της πρωταρχικής σούπας, που είναι γνωστή ως πλάσμα κουάρκ-γλοιονίων (QGP)-και εγείρουν νέα ερωτήματα για τις εξαιρετικές της ιδιότητες.

«Η μέτρηση επανασυναρμολογημένων δεσμών μας δίνει μοναδικές οπτικές για το πώς το ισχυρά αλληλεπιδρόν πλάσμα ανταποκρίνεται καθώς οι δέσμες το διασχίζουν», δήλωσε ο Peter Jacobs, φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley του DOE και μέλος της συνεργασίας STAR του RHIC, η οποία δημοσίευσε αυτά τα αποτελέσματα. «Αντί να επικεντρωθούμε στο τι συμβαίνει στη δέσμη, θέλουμε να το αντιστρέψουμε και να δούμε τι μπορεί να μας πει η δέσμη για το QGP».

Σούπα της Μεγάλης Έκρηξης

Ολόκληρο το σύμπαν ήταν γεμάτο με QGP ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, πριν τα δομικά στοιχεία της ύλης, τα κουάρκ και τα γλοιόνια, ενωθούν σε πρωτόνια και νετρόνια-και τελικά σε ατομικούς πυρήνες.

Ο RHIC δημιουργεί ένα QGP επιταχύνοντας τους πυρήνες χρυσού κοντά στην ταχύτητα του φωτός και συγκρούοντάς τους. Οι ενεργειακές συγκρούσεις «λιώνουν» τους πυρήνες, απελευθερώνοντας τα εσωτερικά τους δομικά στοιχεία, ώστε οι επιστήμονες να μπορούν να μελετήσουν τα κουάρκ και τα γλοιόνια όπως υπήρχαν στην αυγή του χρόνου.

Αυτό δεν είναι εύκολο. Το QGP που δημιουργείται στον RHIC διαρκεί λιγότερο από ένα τρισεκατομμυριοστό του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Δεν υπάρχει χρόνος να το βάλεις κάτω από μικροσκόπιο ή να το βομβαρδίσεις με ακτίνες Χ όπως κάνουν οι επιστήμονες που μελετούν άλλες μορφές ύλης. Αλλά ευτυχώς, οι συγκρούσεις που δημιουργούν το QGP μερικές φορές εκτοξεύουν μεμονωμένα κουάρκ ή γλοιόνια από τους πυρήνες με τεράστια ενέργεια. Αυτά τα ενεργητικά σωματίδια διασπώνται γρήγορα σε καταρράκτες συσχετισμένων σωματιδίων -δέσμες- που μεταφέρουν πληροφορίες για το πλάσμα στους ανιχνευτές του RHIC.

«Τα διασκορπισμένα κουάρκ και γλοιόνια έρχονται μαζί με τους πυρήνες· βρίσκονται μέσα στην ύλη», είπε ο Jacobs. «Μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε όπως οι δέσμες ακτίνων Χ για να μάθουμε για το πλάσμα».

Φωτόνια έναυσμα και εντοπισμός δεσμών

Πολλές ομάδες επιστημόνων που μελετούν δέσμες στον RHIC έχουν επικεντρωθεί σε ένα φαινόμενο γνωστό ως κατασίγαση δέσμης, μια φαινομενική καταστολή των ενεργητικών δεσμών που εξέρχονται από το QGP. Η ιδέα είναι ότι οι δέσμες χάνουν ενέργεια μέσω των αλληλεπιδράσεών τους με το QGP.

Οι μετρήσεις κατασίγασης στον RHIC μέχρι σήμερα έχουν επικεντρωθεί κυρίως στα πιο ενεργητικά, ηγούμενα σωματίδια της δέσμης, επειδή είναι απλά στη μέτρηση. Ωστόσο, τέτοια σωματίδια δίνουν μόνο περιορισμένη εικόνα της διαδικασίας. Τα νέα αποτελέσματα από τη STAR επανασυναρμολογούν μια ευρύτερη συσχετισμένη ροή σωματιδίων που αποτελούν τη δέσμη, αποκαλύπτοντας πολύ περισσότερες λεπτομέρειες για το πώς «διεγείρεται» το QGP και ανταποκρίνεται στη δέσμη-και πού πηγαίνει η «χαμένη» ενέργεια.

Η νέα ανάλυση, για πρώτη φορά, περιέλαβε την επανασυναρμολόγηση δεσμών που παράγονται πλάτη με πλάτη με φωτόνια.

«Δεδομένου ότι τα φωτόνια δεν αλληλεπιδρούν καθόλου με το QGP, η ενέργειά τους, όπως μετράται από τον ανιχνευτή, παρέχει ένα μέτρο για σύγκριση με την ενέργεια των σωματιδίων της δέσμης που εμφανίζονται στην αντίθετη κατεύθυνση», είπε η συν-συγγραφέας Saskia Mioduszewski, συνεργάτης της STAR από το Πανεπιστήμιο Texas A&M.

Η Mioduszewski πρωτοστάτησε στην τεχνική αναγνώρισης άμεσων φωτονίων με τον πρώην μεταδιδακτορικό Ahmed Hamed, τώρα στο Αμερικανικό Πανεπιστήμιο του Καΐρου. Στην προσπάθεια εντάχθηκε αργότερα ο Nihar Sahoo, επίσης πρώην μεταδιδακτορικός, τώρα στο Ινδικό Ινστιτούτο Επιστημονικής Εκπαίδευσης και Έρευνας – Tirupati και ο Derek Anderson, ένας από τους πρώην μεταπτυχιακούς της Mioduszewski, που θα ενταχθεί στο Εθνικό Εργαστήριο Thomas Jefferson του DOE στις 16 Ιουνίου.

Για τα νέα άρθρα, ο Sahoo πρότεινε να συνδυαστεί αυτή η τεχνική ανάλυσης φωτονίων με στατιστικές μεθόδους που αναπτύχθηκαν από τους Jacobs και Alex Schmah, τώρα στο GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research στη Γερμανία, για να ανιχνευθούν τα ανεπαίσθητα σήματα ακόμη και χαμηλής ενέργειας δεσμών μέσα από το υπόβαθρο χιλιάδων άλλων σωματιδίων που παράγονται στις συγκρούσεις του RHIC.

«Χρησιμοποιώντας τον λεπτορυθμισμένο αλγόριθμο αναγνώρισης φωτονίων και αυτές τις τεχνικές επανασυναρμολόγησης δεσμών, μπορούσαμε να εντοπίσουμε συγκρούσεις με ένα ενεργητικό φωτόνιο και έπειτα να επανασυναρμολογήσουμε όλες τις δέσμες πλάτη με πλάτη με το φωτόνιο», είπε ο Anderson, που ηγήθηκε της ανάλυσης με τον Sahoo.

«Η αναγνώριση των φωτονίων είναι δύσκολη», πρόσθεσε ο Anderson. «Θέλουμε μόνο τα λεγόμενα “άμεσα φωτόνια”- αυτά που παράγονται απευθείας στη σύγκρουση την ίδια στιγμή με τις ενεργητικές δέσμες. Αλλά οι συγκρούσεις στον RHIC παράγουν πολύ περισσότερα φωτόνια μέσω άλλων διεργασιών. Το σχήμα του σήματος στον ανιχνευτή STAR μάς βοηθά να αναγνωρίσουμε υποψήφια άμεσα φωτόνια. Έπειτα χρησιμοποιούμε στατιστικές τεχνικές για να αφαιρέσουμε τα μη-άμεσα φωτόνια ώστε να επανασυναρμολογήσουμε τις δέσμες που εξέρχονται μέσα σε ένα συγκεκριμένο γωνιακό εύρος στην αντίθετη κατεύθυνση».