Ученые из коллаборации STAR на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) — ускорителе атомов в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США — опубликовали всесторонний анализ, направленный на определение факторов, в наибольшей степени влияющих на флуктуации потока частиц в результате столкновений тяжелых ионов. . Результаты, опубликованные в Physical Review Letters , помогут ученым сосредоточиться на ключевых свойствах уникальной формы материи, имитирующей раннюю Вселенную.

Вещество, которым интересуются эти физики, называется кварк-глюонной плазмой (КГП) — смесью кварков и глюонов с температурой в триллион градусов. Это самые фундаментальные строительные блоки всей видимой материи, компоненты, из которых состоят протоны и нейтроны атомных ядер. RHIC создает этот горячий суп из кварков, сталкивая пучки больших ядер (также известных как тяжелые ионы). Столкновения расплавляют границы отдельных протонов и нейтронов, поэтому ученые могут изучать кварки и глюоны в том виде, в каком они существовали почти 14 миллиардов лет назад, до образования этих знакомых ядерных частиц.

«Наличие устройства, которое может изменять энергию пучка и сталкивать различные виды ионов, позволяет нам изменять температуру и плотность горячего сгустка кварковой материи, а также его размер», — сказал Нисим Магди, научный сотрудник Университета Нью-Йорка. Иллинойс в Чикаго, который является одним из лидеров нового анализа. «Изучение того, что происходит в этих различных условиях, может рассказать нам больше о свойствах материи, которую мы создали: насколько она вязкая и текучая, и как она переходит из одной фазы в другую — из обычных ядер в кварк-глюонную плазму».

Плывите по течению

Для этого анализа ученых особенно интересовал асимметричный поток мусора от столкновений частиц в RHIC. С самых первых дней существования RHIC физики-ядерщики наблюдали, что столкновения вне центра предпочтительно выталкивают больше частиц вдоль плоскости реакции сталкивающихся ядер, чем перпендикулярно ей. Эти эллиптические модели потока были важны для открытия того, что КГП ведет себя как жидкость с удивительно низкой вязкостью, а не как равномерно расширяющийся газ.

Но поток не такой гладкий, как можно предположить на этой упрощенной картине. Есть много колебаний. Выявление источника или источников этих флуктуаций позволит ученым гораздо точнее рассчитать свойства плазмы, в том числе ее вязкость.

«Флуктуации могут исходить из начального состояния, когда ионы впервые сталкиваются, или они могут развиваться во время эволюции КГП, или они могут развиваться, когда система производит частицы, которые мы отслеживаем в нашем детекторе», — сказал Рой Лейси, профессор Химический и физический факультеты Университета Стоуни-Брук, доктор философии Мэгди. научный руководитель и руководил его работой. «Когда вы тщательно выбираете измерения, чтобы подчеркнуть различные аспекты этой временной шкалы, вы можете узнать, откуда берутся колебания».

Отслеживание источника(ов)

Чтобы разделить эти вклады, ученые изучили схемы потоков в результате большого количества столкновений, произошедших в течение многих лет операций RHIC.

Они проанализировали данные о потоках от столкновений ядер / ионов разных размеров и типов (золото-золото, уран-уран и медь-золото) и включили то, как центральные или нецентральные ионы сталкиваются друг с другом. Это упражнение может помочь ученым увидеть влияние эффектов начального состояния — размера и формы капли QGP, созданной перекрывающимися ионами.

Они также рассмотрели картины потоков при столкновениях одной и той же ионной системы (золото-золото) в широком диапазоне энергий столкновения. Поскольку столкновения с более высокими энергиями генерируют более сильные градиенты давления, чем столкновения с низкими энергиями, наблюдение различий в структурах потоков по энергии покажет, что флуктуации возникают по мере эволюции сгустка горячей материи.

И они отслеживали потоки различных видов частиц, попадающих в детектор в результате столкновений с одной и той же энергией и одним и тем же типом иона. Различия в этих данных указывают на то, что флуктуации возникают при переходе КГП обратно в составные частицы (адроны), состоящие из кварков, связанных вместе глюонами.

Результаты показали, что пульсации потока в наибольшей степени зависят от условий, созданных в начальном состоянии столкновения.

Самое сильное влияние: насколько центральными являются столкновения. Столкновения вне центра создают продолговатую область перекрытия в форме футбольного мяча, где градиент давления сильнее вдоль короткой оси футбольного мяча, чем вдоль длинной оси. Этот асимметричный градиент давления выталкивает больше частиц вдоль плоскости реакции, чем перпендикулярно ей, как наблюдалось ранее. Но важно то, что новый анализ учитывает «комковатость» зоны столкновения.

«Есть куча маленьких шариков [отдельных протонов и нейтронов], случайным образом сталкивающихся друг с другом», — сказала Мэгди. «В целом это похоже на форму эллипса, но по краям есть колебания ».

В результате, как объяснила Лейси, «распределение плотности создаваемого вещества несколько комковато, и эта комковатость влияет на колебания в потоке частиц, которые в конечном итоге появляются».

Размер сталкивающихся ионов также оказал незначительное влияние на флуктуации потока, при этом маленькие ядра генерировали более сильные флуктуации потока, чем большие ядра.

Напротив, анализы показали, что схемы потоков существенно не различаются в зависимости от энергии столкновения или среди различных видов частиц, образующихся в результате адронизации.

«Впервые мы смогли собрать все эти данные, собранные в RHIC — от сканирования энергии луча и от столкновений различных систем — и объединить их вместе, чтобы определить зависимость этих флуктуаций», — сказал Магди.

Подразумеваемое

Теперь, когда ученые знают, что начальные условия в первую очередь ответственны за флуктуации потока , они смогут уменьшить ключевую давнюю неопределенность и сделать более точные расчеты свойств кварк-глюонной плазмы.

«Теперь мы можем гораздо лучше ограничить величину этих свойств, таких как объемная вязкость, сдвиговая вязкость и так далее», — сказал Лейси.

Эта точность поможет им более точно определить, как кварковая материя изменяется при различных условиях температуры и давления — процесс, аналогичный картированию фаз любого типа материи, например воды.

«Более точные измерения очень помогут в попытках выяснить, существуют ли фазовые переходы в ядерной материи и при каких условиях», — сказал Лейси.

В частности, введение более жестких ограничений на измерения вязкости также может помочь ученым выяснить, существует ли так называемая критическая точка на фазовой диаграмме ядра. Это точка, в которой тип фазового перехода от обычной ядерной материи к самой КГП меняется с перехода «первого рода» между двумя различными состояниями на переход второго рода. За пределами этой точки происходит плавный перекрестный переход, когда и адроны, и КГП могут сосуществовать. Точные измерения вязкости позволят физикам искать провал сдвиговой вязкости , который ожидается в этой точке на карте ядерных фаз.

«Сообщаемые сейчас измерения еще не дают такой точной информации, но мы будем использовать эти новые ограничения колебаний в сочетании со сравнением моделей, чтобы двигаться в этом направлении», — сказал Лейси.

Как объяснил Магди: «Этот новый анализ бросает вызов моделям, чтобы дать объяснение, которое будет соответствовать этому всеобъемлющему набору данных, чтобы мы могли лучше понять свойства и эволюцию кварк-глюонной плазмы».