שיקום המפץ הגדול: התנגשויות זעירות חושפות טיפות של העניין הראשון של היקום

חלקיקי אור שנפלטו מהתנגשויות של דויטרונים עם יוני זהב מספקים הוכחות ישירות לכך שמטוסים אנרגטיים 'נתקעים'-חתימת מפתח בפלזמת קווארק-גלון. (מושג האמן.) קרדיט: scitechdaily.com

מדענים בניסוי הפניקס ב- RHIC חשפו הוכחות משכנעות לכך שאפילו התנגשויות הכוללות גרעינים קטנים עם גדולים יכולים לייצר טיפות קטנטנות של קווארק-גלוןפְּלַסמָה(QGP), מצב של חומר שהאמין כי היה קיים רגעים אחרימפץ גדולו

ניתוח עדכני של נתונים מה-פניקסהתנסו ב-קולידר יון כבד רלטיביסטי(RHIC) חשפה עדויות חדשות שמצביעות על כך שאפילו התנגשויות בין גרעינים קטנים וגדולים מאוד יכולים לייצר טיפות קטנטנות של פלזמת קווארק-גלון (QGP). מדענים מאמינים כי מצב חומר ייחודי זה, המורכב מחינם- המרכיבים הבסיסיים שלוכן- רגעים בלבד אחריו ב- RHIC, התנגשויות בעלות אנרגיה גבוהה של יוני זהב, שהם זהבאָטוֹםגרעינים מופשטים מהאלקטרונים שלהם, יוצרים באופן קבוע QGP על ידי "היתוך" אבני הבניין הגרעיניות הללו. זה מאפשר לחוקרים לחקור את תכונות הפלזמה.

בתחילה, הפיזיקאים הניחו כי התנגשויות הכרוכות ביונים קטנים יותר לא יפיקו מספיק אנרגיה כדי ליצור QGP, מכיוון שההיון הקטן יותר נחשב כחסר הכוח הדרוש כדי לפרק את הפרוטונים והנויטרונים ביון הגדול יותר. עם זאת, נתונים מפניקס הציעו בעקביות אחרת. זה מצביע על כך שאפילו מערכות התנגשות קטנות יכולות לייצר דפוסי זרימת חלקיקים הדומים לאלה שנצפו בתצורות QGP גדולות יותר. הממצאים האחרונים שפורסמו במכתבי ביקורת פיזית, חיזוק את המקרה לנוכחות טיפות זעירות אלה של QGP. המחקר מספק את העדויות הישירות הראשונות לכך שחלקיקים אנרגטיים שנוצרו בהתנגשויות בקנה מידה קטן של RHIC יכולים לאבד אנרגיה ולהאט באופן משמעותי כשהם נוסעים כלפי חוץ, אינדיקטור מפתח להיווצרות QGP.

"מצאנו, לראשונה במערכת התנגשות קטנה, את דיכוי החלקיקים האנרגטיים, שהם אחת משתי חתיכות ראיות עיקריות ל- QGP," אמר דובר שיתוף הפעולה של פניקס, יאסויוקי אקיבה, פיזיקאי במרכז ריקן נישינה למאצה של יפן, יפן, ליפן, למאמץ יפן, יפן, ליפן, למאמץ יפן, יפן, יפן, ליפן, ליפן, יפן, יפן, יפן, יפן, יפן, ליפן, המנהיג קבוצת מדע וניסויים מבוסס במרכז המחקר Riken-BNL(RBRC) במעבדת ברוקבן.

פיזיקאים של אוניברסיטת סטוני ברוק גאבור דייוויד ואקסל דריס משרטטים כיצד אות לאובדן אנרגיית סילון בהתנגשויות של דויטרון-זהב במעשי היונים הכבדים הרלטיביסטיים (RHIC) תומך במקרה כי התנגשויות אלה יוצרות כתמים קטנים של פלזמה קווארק-גלון, צורה של חשוב שחלחל ליקום המוקדם. קרדיט: קווין קופלין/מעבדה לאומית

מרווה סילון כמחוון מפתח

מחפש דיכוי של מטוסי חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה, או "מרווה", היה יעד מרכזי מהימים הראשונים ב- RHIC, מתקן משתמשים במשרד המדע DOE למחקר פיזיקה גרעינית שהחל לפעול במעבדת ברוקבן בשנת 2000. מטוסים נוצרים כאשר קווארק או גלון בתוך פרוטון או נויטרון באחת מקורות היונים של RHIC מתנגשות בעוצמה עם קווארק או גלון בחלקיקים הגרעיניים המרכיבים את הקורה הנוסעת בכיוון ההפוך. אינטראקציות חזקות אלה יכולות לבעוט בקווארקים או גלונים בודדים נקיים מאבני הבניין הגרעיניות המתנגשות עם כמויות אנרגיה אדירות, מה שהופך במהירות את החלקיקים האנרגטיים למפלים, או מטוסים, של חלקיקים אחרים.

אם ההתנגשות לא ממיסה את החומר הגרעיני למרק של קווארקים וגלונים חופשיים - ה- QGP - אז מטוסי החלקיקים האנרגטיים האלה, או מוצרי הריקבון שלהם, מפליגים בחופשיות שייספרו על ידי גלאי RHIC. אבל אם ההתנגשויות אכן מהוות QGP, הקווארק או הגלון נטול הבועטים, למרות האנרגיה שלו, נקלע לאינטראקציות עם הקווארקים והגלונים המרכיבים את הפלזמה.

"אינטראקציות אלה מובילות לאובדן אנרגיה", הסביר גאבור דייוויד, פיזיקאי פניקס מאוניברסיטת סטוני ברוק (SBU) שהיה ממנהיגי הניתוח החדש.

"אתה יכול לחשוב על זה כמו ההבדל בין ריצה באוויר לרוץ במים," אמר. ה- QGP הוא כמו המים; זה מאט את החלקיקים למטה. כתוצאה מכך מטוסים מגיעים לגלאי עם חלק מהאנרגיה המקורית שלהם בלבד.

דובר שיתוף הפעולה של פניקס, יסויוקי אקיבה בגלאי הפניקס, שאסף נתונים במעשי היונים הכבדים הרלטיביסטיים (RHIC) משנת 2000 עד 2016. ניתוח חדש של נתוני הפניקס מספק עדויות רעננות לכך שהתנגשויות של חלקיקים קטנים עם גרעינים גדולים יוצרים חסקות קטנות של קווארק- Quark- פלזמת גלון. קרדיט: המעבדה הלאומית של ברוקבן

התנגשויות זהב-זהב קבעו את קו הבסיס

כדי לחפש דיכוי זה, על הפיזיקאים תחילה להעריך את מספר החלקיקים האנרגטיים שצפויים למפוצצים של זהב זהב על ידי קנה מידה מתמטי מהתנגשויות פשוטות של פרוטון-פרוטון למספר הפרוטונים והנויטרונים המעורבים בהתנגשויות של יונים כבדים יותר כאלה בזהב. הערכים המחושבים מצביעים בעקיפין אם ההתנגשות מתרחשת במרכז מת בין שני יוני הזהב או אם מדובר בהתנגשות מבט שבה היונים מתבוננים זה בזה בקצוות. התנגשויות מרכזיות צפויות ליצור יותר מטוסים מאשר אלה היקפיים. אך הם גם בעלי סיכוי גבוה יותר לייצר QGP גדול יותר ולכן דיכוי סילון גבוה יותר.

שיטה זו עבדה יפה עבור Smashups זהב-זהב.

"ציפינו שנראה פי 1,000 ממספר החלקיקים האנרגטיים, או המטוסים, בהתנגשויות המרכזיות ביותר-זהב-זהב לעומת התנגשויות פרוטון-פרוטון", אמר אקיבה. "אבל ראינו רק פי 200 מרמת הפרוטון-פרוטון, חמישית מהמספר הצפוי. זה גורם של חמש דיכוי. "

דיכוי סילון זה הוא סימן ברור לכך שהתנגשויות זהב-זהב מייצרות את ה- QGP. זה גם עולה בקנה אחד עם חתימת מפתח אחרת של היווצרות QGP בהתנגשויות אלה - כלומר דפוסים אופייניים של זרימת החלקיקים הנגרמים כתוצאה מתכונות הידרודינמיות של ""נוזל מושלם"פלזמה.

אי התאמה מפתיעה בהתנגשויות קטנות

כאשר מדעני הפניקס צפו בדפוסי זרימה הידרודינמיים דומים במערכות התנגשות קטנות, ורומזות כי יתכנו טיפות קטנטנות של ה- QGP, הם התכוונו לחפש גם דיכוי סילון באירועים אלה. התוצאות היו הפתעה: בעוד שההתנגשויות המרכזיות ביותר של חלקיקים כמו Deuterons - פרוטון אחד ונויטרון אחד - עם יוני זהב הציגו סימני דיכוי סילון, נראה כי התנגשויות היקפיות יותר מראות עלייה במטוסים אנרגטיים.

"לא היה שום הסבר מדוע זה אמור לקרות - בהחלט לא," אמר דייוויד.

נטייה לפוטונים ולפיונים ניטרליים: פניקס טוב במיוחד לאיתור פוטונים (קווים גלים, γ). כדי לאתר מטוסים, הפניקס מודד את הפוטונים בהם פיונים ניטרליים (π0) - לעיתים קרובות החלקיקים המובילים המרכיבים מטוסים - מתפרקים לתוכם. הבחנה בין פוטונים ישירים-אלה שמגיעים מהאינטראקציה של הקווארקים והגלונות בהתנגשות-ופוטונים ריקבון, כמו אלה מהריקבון של פיון ניטרלי או חלקיקים אחרים בסילון, היא נוהל מסובך, אך מבוסס היטב ומוכח והיה חיוני לתוצאה החדשה של פניקס. התמונה מציגה את ההבדל בין סילון אנרגטי העולה מהתנגשות פרוטון-פרוטון (PP), שם שום צורות פלזמה של Quark-Gluon (QGP), לבין סילון ש"מרווה "-או מאבד אנרגיה-בהתנגשות של דויטרון (ד) עם גרעין זהב (au). שימו לב כי פוטונים ישירים (γ תחתונים) יוצאים ללא השפעה מכל התנגשות. השילוב של פוטונים ישירים של אנרגיה שווה עם אובדן אנרגיות סילון הוא סימן ברור לכך ש- QGP נוצר בהתנגשויות מרכזיות-זהב. קרדיט: ולרי לנץ/מעבדה לאומית

פנייה לפוטונים ישירים לתשובות

כפי שמתברר, הגידול המפתיע היה חפץ של הדרך העקיפה שהפיזיקאים קבעו את מרכזיות ההתנגשויות. הם גילו זאת על ידי ניסיון גישה חלופית וישירה יותר, כמתואר בעיתון החדש. במקום להשתמש בחישובים המבוססים על מודל גיאומטרי כדי להעריך את מספר החלקיקים הגרעיניים-פרוטונים ונויטרונים-המשתתפים בהתנגשויות, הם השתמשו במדידה ישירה של אינטראקציות אלה על ידי ספירת פוטונים "ישירים" כביכול.

זה אפשרי מכיוון שכמו שהתנגשות RHIC יכולה לבעוט בקווארק אנרגטי או ללא גלון, שהאינטראקציה יכולה גם לייצר אנרגיה גבוההפוטון, או חלקיק האור. פוטונים ישירים אלה מיוצרים בהתנגשות ממש יחד עם ובכמויות פרופורציונליות לקווארקים והגלונים נטולי הבעיטה.

לכן, על ידי ספירת הפוטונים הישירים הפוגעים בגלאי שלהם, מדעני הפניקס יכלו למדוד ישירות את מרכזיות ההתנגשויות ולדעת בדיוק כמה קווארקים או גלונים אנרגטיים נבעלו חופשיים - כלומר לכמה מטוסים לצפות.

"ככל שההתנגשות מרכזית יותר, כך יכולות להיות אינטראקציות יותר בין הקווארקים והגלונות של דויטרון קטן המתנגש עם הקווארקים והגלונים בפרוטונים ובנויטרונים של יון זהב," הסביר אקסל דריס מ- SBU, מנהיג נוסף של ה- אָנָלִיזָה. "אז, Smashups מרכזיים מייצרים פוטונים ישירים יותר וצריכים לייצר חלקיקי סילון אנרגטיים יותר מאשר התנגשויות מבט."

אך בניגוד לקווארקים והגלונות, הפוטונים אינם מתקשרים עם ה- QGP.

"אם נוצרים פוטונים, הם נמלטים מה- QGP לחלוטין ללא אובדן אנרגיה," אמר דרייס.

לכן, אם אין QGP, יש לאתר את הפוטונים והחלקיקים האנרגטיים בכמויות פרופורציוניות. אך אם בהתנגשויות מרכזיות מספר חלקיקי הסילון האנרגטיים שהתגלו הוא נמוך משמעותית ממספר הפוטונים הישירים של אותה אנרגיה, זה יכול להיות סימן לכך ש- QGP קיים, מרווה את המטוסים.

Niveditha Ramasubramanian, שהיה סטודנטית לתארים מתקדמים על ידי דייוויד באותה תקופה, לקחה את המשימה המאתגרת של הקניט את אותות הפוטון הישירים מנתוני ההתנגשות של Deuteron-Gold של פניקס. כאשר הניתוח שלה הושלם, העלייה הקודמת והלא מוסברת בג'טס העולה מהתנגשויות היקפיות נעלמה לחלוטין. אך עדיין היה איתות חזק לדיכוי בהתנגשויות המרכזיות ביותר.

Niveditha Ramasubramanian (Center), שזכה בתואר שלישי. בפיזיקה מאוניברסיטת סטוני ברוק (SBU) בחלקה לניתוח הפוטונים הישירים שלה בנתוני ההתנגשות של Deuteron-Gold של פניקס, עם שני יועצי התזה של SBU, תומאס המריק (משמאל) וגאבור דייוויד (מימין). קרדיט: ניבויטה ראמאסוברמניאן

עדות חד משמעית לדיכוי QGP

"המוטיבציה הראשונית לעשות ניתוח מורכב זה הייתה רק כדי להבין טוב יותר את הגידול המוזר במטוסים אנרגטיים בהתנגשויות היקפיות, מה שעשינו", אמר רמסוברמניאן, מחבר משותף בעיתון שזכה לדוקטורט לה. - ופרס תזה ב2022 מפגשי משתמשי RHIC ו- AGS- על תרומותיה לתוצאה זו. כעת הוסיפה מדענית צוותים במרכז הלאומי לצרפתי למחקר מדעי, "הדיכוי שצפינו בהתנגשויות המרכזיות ביותר היה בלתי צפוי לחלוטין."

"כאשר אנו משתמשים בפוטונים הישירים כמדד מדויק ומדויק של מרכזיות ההתנגשות, אנו יכולים לראות את הדיכוי [בהתנגשויות מרכזיות] באופן חד משמעי," אמר אקיבה.

דייוויד ציין כי "השיטה החדשה מסתמכת אך ורק על כמויות הניתנות לצפייה, תוך הימנעות משימוש במודלים תיאורטיים."

צעדים עתידיים וחקירות נוספות

השלב הבא יהיה ליישם את אותה שיטה על מערכות התנגשות קטנות אחרות.

"ניתוחים מתמשכים של נתוני הפרוטון-זהב והליום-3-זהב של פניקס עם אותה טכניקה יסייעו להבהיר עוד יותר את מקורות הדיכוי הזה כדי לאשר את ההבנה הנוכחית שלנו או לפסוק אותה על ידי הסברים מתחרים", אמר דריס.

התייחסות: עלא, י. , Y. Berdnikov, L. Bichon, B. Blankenship, D. S. Blau, M. Boundary, J. St. Borisov, M. L. Brooks, J. Bryslawskyj, V. Butler, C. Campbell, V. Canoa, M. Chiu, M . . סנט ג'ון המטביל, A. Khatiwada, C. Kim, D. J. Kim, E.-J. קים, מ. קים, מ. ח. קים, ט. קים, ד. קורגסס, א. קינגן, א. קלסיב, ט. קובלסקי, ד. קוטוב, ל. קובאץ ', סקדו, סקוד, ב. קורגיס, ק. קוריטה, ג'. ג. Lajoie, E. Loomis, D. Loomis, D. Lynch, St. Lych, T. Majors, M. Makek, M. Mataev, V. I. Manko, E. Mannel, H. Maduda, M. McCumber, D. McGlinchey, A. C. Friends, D. E. E. E. E. E. E. E. E. E. E. E. A . Mitkunov, G. Mitsuka, M. M. M. Moon, T. M. I. I. I. Nakagawa, H. Nakagomy, K. Nakano, C. Nattrass, S. Brien, C. A. Ogilvie. , C. Pincenburg, M. Potely, V. Riabout, and Rich, D. Richford, T. Ring. , I. Shein, M. Shibata, T.-A. שיבטה, ק. שיגאקי, מ. שימומורה, שי, סי. ל. סילבה, ד. סילברמיר, מ. סלאונצ'קה, ק. ל. סמית ', סאנוב, ז. סאן, סנט סיד, ר. טקהאמה. .מכתבי ביקורת פיזיתו
Doi: 10.1103/physrevlett.134.022302

מחקר זה מומן על ידי משרד ה- DOE למדע (NP), הקרן הלאומית למדע, ומגוון של אוניברסיטאות וארגונים של ארה"ב ובינלאומית המופיעים במאמר המדע. ניסוי הפניקס אסף נתונים ב- RHIC משנת 2000 ועד 2016, וכפי שמאמר זה מציין, ניתוח הנתונים שלו נמשך.