RHIC — одно из двух мест в мире, где ученые могут создавать и изучать первичный суп из несвязанных кварков и глюонов — подобный тому, что существовал в ранней Вселенной около 14 миллиардов лет назад. Исследование помогает разгадать, как эти строительные блоки материи превратились в адроны, частицы, состоящие из двух или трех кварков, удерживаемых вместе глюонами, носителями сильнейшей силы природы.
«Барионы, которые представляют собой адроны, состоящие из трех кварков, составляют почти всю материю, которую мы видим во Вселенной сегодня», — сказал Брукхейвенский физик-теоретик Свагато Мукерджи, соавтор статьи, описывающей новые результаты в Physical Review Letters. "Теория, которая рассказывает нам, как образуется эта материя, включая протоны и нейтроны, составляющие ядра атомов, также предсказывает существование множества различных барионов, в том числе очень тяжелых и короткоживущих, содержащих один или несколько тяжелые "странные" кварки. Теперь у нас есть косвенные доказательства из наших расчетов и сравнений с экспериментальными данными на RHIC, что эти предсказанные состояния более высоких масс странных барионов действительно существуют ", — сказал он.Берндт Мюллер, заместитель директора лаборатории ядерной физики и физики элементарных частиц в Брукхейвене, добавил: «Это открытие особенно примечательно, потому что странные кварки были одной из первых сигнатур образования первичной кварк-глюонной плазмы. Теперь мы используем эту сигнатуру QGP как инструмент для обнаружения ранее неизвестных барионов, которые возникают из QGP и не могут быть произведены другим способом ».
Депрессия точки замерзания и суперкомпьютерные вычисленияДоказательства исходят из влияния на термодинамические свойства вещества, физики-ядерщики могут обнаружить исход столкновений на RHIC. В частности, ученые наблюдают, как некоторые наиболее распространенные странные барионы (омега-барионы, каскадные барионы, лямбда-барионы) «вымораживают» кварк-глюонную плазму RHIC при более низкой температуре, чем можно было бы ожидать, если бы предсказанные сверхтяжелые странные барионы не замерзли. существовать.«Это похоже на то, как поваренная соль снижает температуру замерзания жидкой воды», — сказал Мукерджи. «Эти« невидимые »адроны подобны молекулам соли, плавающим в горячем газе адронов, заставляя другие частицы замерзать при более низкой температуре, чем если бы« соли »не было».
Чтобы увидеть доказательства, ученые выполнили расчеты, используя решеточную КХД, метод, который использует точки на воображаемой четырехмерной решетке (три пространственных измерения плюс время) для представления положений кварков и глюонов, а также сложные математические уравнения для расчета взаимодействий между ними. , как это описано в теории квантовой хромодинамики (КХД).«Расчеты говорят вам, где у вас есть связанные или несвязанные кварки, в зависимости от температуры», — сказал Мукерджи.Ученые специально искали флуктуации сохраняющегося барионного числа и странности и изучали, как расчеты согласуются с наблюдаемыми измерениями RHIC в широком диапазоне энергий.Расчеты показывают, что включение предсказанных, но «экспериментально не нанесенных на карту» странных барионов лучше согласуется с данными, предоставляя первое свидетельство того, что эти до сих пор ненаблюдаемые частицы существуют и оказывают свое влияние на температуру замерзания наблюдаемых частиц.
Эти открытия помогают физикам количественно нанести точки на фазовой диаграмме, которые отображают различные фазы ядерной материи, включая адроны и кварк-глюонную плазму, а также переходы между ними при различных условиях температуры и плотности.«Чтобы точно нанести точки на фазовую диаграмму, вы должны знать, какое содержимое находится на стороне связанного состояния, адронной стороне линии перехода — даже если вы их не видели», — сказал Мукерджи. «Мы обнаружили, что более высокие массовые состояния странных барионов влияют на образование основных состояний, которые мы можем наблюдать. А линия, на которой мы видим обычную материю, движется к более низкой температуре из-за множества более высоких состояний, которые мы не можем видеть."Исследование было проведено группой Теории решетки Брукхейвенской лаборатории во главе с Фритьофом Каршем в сотрудничестве с учеными из Билефельдского университета, Германия, и Центрально-Китайского педагогического университета.
Вычисления суперкомпьютеров выполнялись с использованием кластеров GPU в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона Министерства энергетики (Лаборатория Джефферсона), Университете Билефельда, Университете Падерборна и Университете Индианы при финансировании программы Scientific Discovery через Advanced Computing (SciDAC) Управления науки Министерства энергетики США ( Ядерная физика и перспективные научные компьютерные исследования), Федеральное министерство образования и исследований Германии, Немецкий исследовательский фонд, Генеральный директорат Европейской комиссии по исследованиям. Инновации и грант GSI BILAER.
Экспериментальная программа в RHIC финансируется главным образом Управлением науки Министерства энергетики США.