Forskere modellerer "flimmer" av gluoner i subatomære smashups

møtNTNU – TEM: 7. forsker i huset / The 7th Researcher of the house (Juni 2019).

Anonim

Forskere som utforsker den dynamiske oppførselen til partikler som kommer fra subatomiske smashups ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) -A US Department of Energy Office of Science Bruker Facility for kjernefysikkforskning ved DOEs Brookhaven National Laboratory-blir stadig mer interessert i gluons rolle. Disse limlignende partiklene binder vanligvis kvarker i protoner og nøytroner, og ser ut til å spille en utradisjonert rolle i å etablere nøkkelpartikkelegenskaper.

En ny studie som nettopp er publisert i Fysisk gjennomgangsbrev, viser at en høy grad av gluonfluktuasjon - en slags flimrende omplassering i fordelingen av gluontetthet i individuelle protoner - kan bidra til å forklare noen av de bemerkelsesverdige resultatene ved RHIC og også i kjernekysikkeksperimenter ved den store Hadron Collider (LHC) i Europa.

For øyeblikket er det umulig å "se" fordelingen av gluoner i individuelle protoner og kjerner - selv ved de kraftigste partikkelakseleratorene. Så Brookhaven Lab teoretiske fysikere Björn Schenke og Heikki Mäntysaari utviklet en matematisk modell som representerer en rekke arrangementer av gluoner i en proton.

"Det er veldig nøyaktig kjent hvor stor den gjennomsnittlige gluondensiteten er inne i et proton, " sa Mäntysaari. "Det som ikke er kjent, er nøyaktig hvor gluonene befinner seg inne i protonen. Vi modellerer gluonene som ligger rundt de tre valankvarkene. Da kontrollerer vi mengden svingninger som er representert i modellen ved å angi hvor stor gluonskyvene er, og hvordan langt fra hverandre er de fra hverandre. "

Fluktuasjonene representerer adferd av gluoner i partikler akselerert til høye energier som de er i colliders som RHIC og LHC. Under disse forholdene er gluonene virtuelle partikler som kontinuerlig splittes og rekombineres, i hovedsak flimrer inn og ut av eksistens som ildfluer blinker av og på i natthimmelen.

Forskere vil gjerne vite om og hvordan disse svingningene påvirker oppførselen til partiklene som oppstår når protoner kolliderer med tunge kjerner, som gullioner akselerert ved RHIC. Data fra RHICs proton-gullkollisjoner, og fra LHCs proton-blykollisjoner, har vist at "kollektive fenomener" -partikler dukker opp med litt "kunnskap" av hverandre og i noen foretrukne retninger snarere enn på like måte. I RHIC- og LHC-smashups av to store partikler (gullgull eller bly-bly) er denne kollektive atferd og retningsavhengige strømmen forklart av væskestatusen av kvarker og gluoner-det "perfekte væske" kvark-gluonplasmaet (QGP)) -dannet i disse kollisjonene. Men kollisjoner av små protoner med de større kjernene er ikke ment å skape QGP. Og den nåværende forståelsen av QGP kan ikke fullstendig forklare de eksperimentelle resultatene.

"Hvis vi ønsker å forstå hva som skjer, må vi kjenne protonens geometri like før kollisjonene. Det er en forskjell hvis du har et rundt objekt som rammer en kjerne versus noe med en mer uregelmessig struktur som rammer kjernen, " Mäntysaari sa. "Den kollektive oppførelsen vi ser i forsøkene kan innebære at det er noe mer komplisert struktur for protonen, " la han til og bemerket at utforsking av protons indre struktur er en grunnleggende forskningsoppgave for kjernefysikere.

Modellen utviklet av Mäntysaari og Schenke beskriver hvordan protonstrukturen kan variere. For å teste modellen, viste de seg til et annet sett av eksperimentelle data-resultater fra kollisjoner av elektroner med protoner ved HERA-akseleratoren i Tyskland. En spesiell reaksjon som noen ganger oppstår i disse kollisjonene - hvor en partikkel kalt en J / psi blir produsert og protonen bryter opp i en spray av andre partikler - er svært avhengig av nivået av strukturelle fluktuasjoner i protonen.

Brookhaven teoretikerne brukte modellen til å forutsi frekvensen av denne interaksjonen mens de varierte nivået av gluonfluktuasjoner, og sammenlignet deres beregninger med de eksperimentelt observerte dataene. De fant ut at versjonen av modellen med den høyeste grad av svingninger var den som passer best til dataene.

"Denne prosessen skjer ikke i det hele tatt hvis protonen alltid ser det samme. Jo mer svingninger vi har, jo mer sannsynlig vil denne prosessen skje, " sa Mäntysaari.

Han og Schenke ønsker nå å bruke denne kunnskapen til proton-kjernekollisjonene.

"Når gluonfluktuasjonene innlemmes i de hydrodynamiske modellene av QGP, får vi en bedre avtale med eksperimentelle data fra disse protonkjernekollisjonene, sier Mäntysaari.

Som Schenke bemerket, "Dette innebærer at dannelsen av en sterkt interaktiv QGP i proton-kjerne kollisjoner gir en mulig forklaring på den eksperimentelt observerte kollektiviteten."

Hvis kjernefysikkfellesskapet kommer til å bygge et foreslått fremtidig prosjekt kalt en elektron-ion-kollider (EIC), får de en mulighet til å forbedre nøyaktigheten av disse resultatene.

"En EIC vil tillate oss å måle dette mer nøyaktig, og i ulike kinematikk-hvordan fluktuasjonene er avhengige av energi, for eksempel, " sa Mäntysaari. "Og en EIC kan også gjøre samme type studier i kjernefysiske mål for å se hvor mye strukturen av kjernen svinger hendelsen etter hendelsen."

I hovedsak vil EIC være en ekte gluon-imaging-maskin - en måte å direkte sonde den interne strukturen til byggeblokkene av synlig materie, inkludert limet som binder alt i universet i dag.

menu
menu