Как описано в статье, только что опубликованной в Physical Review Letters, это открытие произошло, когда ученые искали способ разделить результаты столкновений по форме в RHIC, Управлении науки Министерства энергетики США.«Мы хотим сравнить события столкновения различной формы, чтобы выявить влияние геометрии на структуру частиц, которые мы видим втекающими в наш детектор», — сказал физик из Брукхейвена Пол Соренсен, член коллаборации RHIC по детекторам STAR.
Эти эксперименты помогут ученым лучше понять флуктуации внутреннего состава ионов и их влияние на характеристики вещества, созданного на RHIC — супа из субатомных кварков и глюонов, известного как кварк-глюонная плазма (QGP).«Это исследование показывает, что мы можем отделить данные от столкновений ионов различной формы», — сказал Соренсен. «Попутно мы также обнаружили удивительные и, возможно, даже более интересные результаты относительно роли, которую внутренняя структура частиц, вероятно, играет в создании QGP».
Золото против уранаRHIC был впервые создан для столкновения ионов золота с целью создания и изучения кварк-глюонной плазмы. Даже самые ранние результаты намекали, что форма зоны столкновения имеет значение.
Например, при столкновениях, когда сферические ионы золота проходят друг через друга не по центру, перекрываясь, как диаграмма Венна, они создают продолговатую область взаимодействия в форме футбольного мяча. В этих столкновениях поток частиц, возникающих вокруг «экватора» зоны столкновения, усиливается по сравнению с потоком на «полюсах», особенно по сравнению с более полностью перекрывающимися столкновениями. Ученые изучали подробные характеристики этого «эллиптического потока», чтобы лучше понять свойства кварк-глюонной плазмы и внутренние характеристики сталкивающихся ионов.
Но нецентральные столкновения золота с золотом также вызывают вращение положительно заряженных протонов, упакованных внутри сталкивающихся ядер. И этот кружащийся положительный заряд создает очень мощное магнитное поле. Чтобы изучить эффекты продолговатой области взаимодействия без магнитного поля, ученые RHIC обратились к урану.
В отличие от ионов золота, ионы урана имеют продолговатую форму футбольного мяча — похожую на область перекрытия при нецентральных столкновениях золота. Сравнение столкновений, при которых два «футбольных мяча» сталкиваются кончик к кончику, создавая сферическое перекрытие, с столкновениями, при которых футбольные мячи сталкиваются вертикально или телом — в обоих случаях с полностью перекрывающимися ионами — даст ученым возможность чтобы изучить влияние формы без магнитного поля, вызванного завихрением, которое наблюдается в золотых крушениях. Но первый вопрос заключался в том, смогут ли ученые отсортировать результаты двух разнонаправленных столкновений урана.«Невозможно избирательно ориентировать ионы, чтобы они сталкивались так, как вы хотите», — сказал Соренсен. «Вы застряли в том, что получаете.
Главное — уметь определять, что есть что из данных».Сортировка форм
Физики решили отсортировать результаты, проанализировав, как и сколько частиц возникает в результате столкновений. При вертикальном движении тело-тело должно быть больше эллиптического потока, чем при столкновении кончика иглы. Столкновения острия с острием должны также в среднем производить больше частиц, чем частицы тело-тело, потому что по мере того, как продолговатые футбольные формы проходят через один наконечник к наконечнику, у внутренних частиц больше шансов подвергнуться множественным столкновениям в пределах такое же ядро. Поэтому они нанесли данные по всему диапазону столкновений урана на график, чтобы найти тенденцию к снижению эллиптического потока с увеличением образования частиц.
Они также построили аналогичный набор измерений для столкновений золота с золотом, где сферическая форма и количество внутренних столкновений не меняются.
Для этих данных, используемых в качестве контроля, они ожидали, что картина потока останется стабильной даже при увеличении количества образовавшихся частиц.Первоначально наборы данных о столкновениях урана и золота демонстрировали одну и ту же тенденцию к снижению.
Но когда ученые сузили свой анализ, включив только 0,1 процента столкновений с наиболее полным перекрытием частиц, появилась ожидаемая сигнатура — нисходящая тенденция для урана и почти плоская линия для золота.«Это был большой успех, потому что теперь у нас есть способ« манипулировать »геометрией. Мы можем выбрать образцы событий столкновения урана с желаемой ориентацией, выбрав только те, которые имеют низкое образование частиц (если мы хотим столкновения тела с телом) или высокий уровень образования частиц (для наконечника наконечника) », — сказал Соренсен.Выбирая события с разной ориентацией, ученые теперь могут исследовать влияние геометрии на другие исследовательские вопросы.
Например, они могут изучить, влияет ли поток, сохраняющийся в продолговатой форме, на такие вещи, как разделение положительных и отрицательных зарядов, чтобы отделить эффекты потока от эффектов магнитного поля. Они также могут сравнить тенденцию частиц, проходящих через короткую и длинную стороны футбольных событий, застревать или «закрываться» в плазме.
Разбивка модели приводит к открытиюТем не менее, даже несмотря на успешную способность отделить кончик наконечника от столкновений между телом и телом, одна вещь все равно не подходила. Тенденция к снижению потока с образованием частиц, измеренная физиками STAR, не была такой крутой, как та, которую предсказывала модель, которую они использовали для анализа данных.
«Это действительно сбивало с толку, сбивало с толку и немного деморализовало», — сказал Соренсен. «Но это часто признак того, что вы собираетесь узнать что-то новое и интересное. Так что это было одновременно и озадачивающим, и захватывающим».
Модель описывает начальную плотность сталкивающихся частиц. Но даже когда ученые пробовали разные способы проведения расчетов — изменяя содержащиеся в них допущения о количестве частиц, форме ядра и о том, как количество частиц может колебаться, — они не смогли добиться соответствия расчетов. данные.Они обратились к Притвишу Трибеди, студенту Циклотронного центра переменной энергии в Калькутте, Индия, который работал с группой ядерной теории Брукхейвена и с тех пор стал докторантом STAR. Трайбеди проводил расчеты, связанные с насыщением глюонов — еще одной моделью начального состояния, которое, по мнению ученых, возникает, когда глюоны размножаются и задерживаются в ионах, ускоренных почти до скорости света, как это происходит на RHIC.
Когда Трайбеди использовал эти расчеты для моделирования образования частиц, которое следует ожидать от столкновений урана с разной ориентацией, Соренсен сказал: «Расчеты в основном подтвердили данные».По словам Соренсена, для достижения успеха модель должна учитывать кварковую и глюонную субструктуру протонов и нейтронов.«Это не удивительно, но удивительно то, что количество частиц, образующихся в результате столкновений, похоже, не зависит от того, сколько раз тот или иной кварк сталкивается с другим кварком, независимо от того, произошло ли столкновение или нет. Эта зависимость от столкновения или отсутствие столкновения, а не количество столкновений, было бы чем-то вроде возвращения с вечеринки без возможности вспомнить, встретили ли вы одного человека или сотню людей », — сказал Соренсен.
До этих измерений стандартная картина предполагала, что количество произведенных частиц будет зависеть от количества столкновений, поэтому эти результаты прямо исключают эту картину. Новые результаты согласуются как минимум с двумя моделями, которые не требуют зависимости от количества столкновений.«Одна из них — модель глюонного насыщения — вот почему мы думаем, что эта модель лучше справилась с предсказанием того, насколько хорошо мы сможем разрешить столкновения кончик-кончик с телом-телом», — сказал Соренсен.
«Этот результат — всего лишь одно свидетельство. Но он поддерживает новую картину того, как рождаются частицы, и эта картина во многом похожа на насыщение глюонов», — сказал Соренсен.
Дальнейшие исследования будут сосредоточены на дальнейшей проверке идеи глюонного насыщения в сравнении с другими альтернативными объяснениями.