Ученые, использующие релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) для изучения одной из самых горячих материй, когда-либо созданных в лаборатории, опубликовали свои первые данные, показывающие, как три различных варианта частиц, называемых ипсилонами, последовательно «плавят» или диссоциируют в горячей слизи. Результаты, только что опубликованные в журнале Physical Review Letters , получены с детектора RHIC STAR, одного из двух экспериментов по отслеживанию крупных частиц в этом пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики США (DOE) для исследований в области ядерной физики.

Данные об ипсилонах добавляют еще одно свидетельство того, что кварки и глюоны, составляющие горячую материю, известную как кварк -глюонная плазма (КГП), «деограничены» или свободны от своего обычного существования, запертые внутри других частиц, таких как протоны. и нейтроны. Полученные данные помогут ученым узнать о свойствах QGP, в том числе о его температуре.

«Измеряя уровень подавления или диссоциации ипсилонов, мы можем сделать вывод о свойствах QGP», — сказал Ронгронг Ма, физик из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики, где находится RHIC, и координатор физического анализа для сотрудничества STAR. «Мы не можем точно сказать, какая средняя температура QGP основана исключительно на этом измерении, но это измерение является важной частью более широкой картины. Мы объединим это и другие измерения, чтобы получить более четкое представление об этой уникальной форме. материи».

Освобождение кварков и глюонов

Ученые используют RHIC, «крушитель атомов» с окружностью 2,4 мили, для создания и изучения QGP путем ускорения и столкновения двух пучков ионов золота — атомных ядер, лишенных своих электронов — при очень высоких энергиях. Эти энергетические столкновения могут расплавить границы протонов и нейтронов атомов, высвобождая кварки и глюоны внутри.

Один из способов подтвердить, что столкновения создали КГП, — найти доказательства того, что свободные кварки и глюоны взаимодействуют с другими частицами. Ипсилоны, короткоживущие частицы, состоящие из связанной вместе тяжелой пары кварк-антикварк (дно-антидно), оказались идеальными частицами для этой задачи.

«Ипсилон — это очень сильно ограниченное состояние, его трудно отделить», — сказал Зебо Танг, сотрудник STAR из Университета науки и технологий Китая. «Но когда вы помещаете это в КГП, у вас так много кварков и глюонов, окружающих как кварк, так и антикварк, что все эти окружающие взаимодействия конкурируют с собственным взаимодействием кварка и антикварка ипсилона».

Эти «экранирующие» взаимодействия могут разбить ипсилон на части, эффективно расплавив его и сократив количество ипсилонов, которое подсчитывают ученые.

«Если бы кварки и глюоны все еще были заключены в отдельные протоны и нейтроны, они не смогли бы участвовать в конкурирующих взаимодействиях, которые разрушают пары кварк-антикварк», — сказал Танг.

Преимущества ипсилон

Ученые наблюдали такое подавление других кварк-антикварковых частиц в КГП, а именно частиц J/пси (состоящих из пары очарование-антиочарование). Но ипсилоны стоят особняком от частиц J/psi, говорят ученые STAR, по двум основным причинам: их неспособность преобразоваться в QGP и тот факт, что они бывают трех типов.

Прежде чем мы перейдем к преобразованию, давайте поговорим о том, как формируются эти частицы. Очаровательные, нижние кварки и антикварки рождаются в столкновениях очень рано — еще до КГП. В момент удара, когда кинетическая энергия сталкивающихся ионов золота накапливается в крошечном пространстве, это запускает создание множества частиц материи и антиматерии, поскольку энергия превращается в массу согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E=mc ² . Кварки и антикварки объединяются, образуя ипсилоны и частицы J/psi, которые затем могут взаимодействовать с вновь образованным КГП.

Но поскольку для создания более тяжелых частиц требуется больше энергии, в супе частиц гораздо больше легких очарованных и антиочаровательных кварков, чем более тяжелых нижних и антинижних кварков. Это означает, что даже после того, как некоторые J/пси-частицы диссоциируют или «плавятся» в КГП, другие могут продолжать формироваться по мере того, как очарованные и антиочаровательные кварки находят друг друга в плазме. Это преобразование происходит очень редко с ипсилонами из-за относительной редкости тяжелых нижних и антидонных кварков. Итак, как только ипсилон диссоциирует, его больше нет.

«В КГП просто недостаточно нижних и антинижних кварков, чтобы объединиться», — сказал Шуай Ян, сотрудник STAR из Южно-Китайского педагогического университета. «Это делает подсчет ипсилона очень чистым, потому что их подавление не искажается преобразованием, как это может быть при подсчете Дж/фунтов на квадратный дюйм».

Другое преимущество ипсилонов заключается в том, что, в отличие от J/psi-частиц, они бывают трех разновидностей: сильно связанное основное состояние и два различных возбужденных состояния, в которых пары кварк-антикварк связаны более слабо. Наиболее плотно связанную версию должно быть труднее разорвать и расплавить при более высокой температуре.

«Если мы увидим, что уровни подавления для трех разновидностей различаются, возможно, мы сможем установить диапазон температуры QGP», — сказал Ян.

Первое измерение

Эти результаты знаменуют собой первый раз, когда ученые RHIC смогли измерить подавление для каждой из трех разновидностей ипсилона.

Они обнаружили ожидаемую закономерность: наименьшее подавление/плавление для наиболее прочно связанного основного состояния; более высокое подавление промежуточно связанного состояния; и практически нет ипсилонов в наиболее слабосвязанном состоянии — это означает, что все ипсилоны в этой последней группе могли быть расплавлены. (Ученые отмечают, что уровень неопределенности в измерении этого наиболее возбужденного слабосвязанного состояния был велик.)

«Мы не измеряем ипсилон напрямую, он распадается почти мгновенно», — объяснил Ян. «Вместо этого мы измеряем распад «дочерей».

Команда рассмотрела два «канала» распада. Один путь распада ведет к электронно-позитронным парам, улавливаемым электромагнитным калориметром STAR. Другой путь распада, к положительным и отрицательным мюонам, отслеживался детектором мюонного телескопа STAR.

В обоих случаях восстановление импульса и массы дочерних элементов распада позволяет установить, возникла ли пара из ипсилона. А поскольку разные типы ипсилонов имеют разную массу, ученые смогли отличить эти три типа друг от друга.

«Это самый ожидаемый результат от детектора мюонного телескопа», — сказал физик Брукхейвенской лаборатории Лихуан Руан, сопредставитель STAR и менеджер проекта детектора мюонного телескопа. Этот компонент был специально предложен и построен для отслеживания ипсилонов, с планированием еще в 2005 году, строительством, начавшимся в 2010 году, и полной установкой к запуску RHIC в 2014 году — источник данных, наряду с 2016 годом, для этого анализ.

«Это было очень сложное измерение, — сказал Ма. «Эта статья, по сути, объявляет об успехе программы детектора мюонного телескопа STAR. Мы продолжим использовать этот компонент детектора в течение следующих нескольких лет, чтобы собрать больше данных, чтобы уменьшить нашу неопределенность в отношении этих результатов».

Сбор большего количества данных в течение следующих нескольких лет работы STAR вместе с новым детектором RHIC, sPHENIX, должен дать более четкое представление о QGP. sPHENIX был создан для отслеживания ипсилонов и других частиц, состоящих из тяжелых кварков, что является одной из его основных целей.

«Мы с нетерпением ждем, как новые данные, которые будут собраны в ближайшие несколько лет, дополнят нашу картину QGP», — сказал Ма.