Новый вычислительный анализ, проведенный теоретиками из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Государственного университета Уэйна, подтверждает идею о том, что фотоны (также известные как частицы света), сталкиваясь с тяжелыми ионами, могут создавать жидкость из «сильно взаимодействующих» частиц. В статье, только что опубликованной в Physical Review Letters , они показывают, что расчеты, описывающие такую ​​систему, совпадают с данными, собранными детектором ATLAS на Большом адронном коллайдере в Европе (LHC).

Как поясняется в документе, расчеты основаны на гидродинамическом потоке частиц, наблюдаемом при лобовых столкновениях различных типов ионов как на БАК, так и на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США для исследований в области ядерной физики . в Брукхейвенской лаборатории. С небольшими изменениями эти расчеты также описывают модели потока, наблюдаемые при столкновении на грани промаха, когда фотоны , образующие облако вокруг ускоряющихся ионов, сталкиваются с ионами в противоположном луче.

«В результате, используя ту же структуру, которую мы используем для описания столкновений свинец -свинец и протон-свинец, мы можем описать данные этих ультрапериферийных столкновений, когда у нас есть фотон, сталкивающийся с ядром свинца», — сказал теоретик Брукхейвенской лаборатории Бьорн. Шенке, соавтора статьи. «Это говорит о возможности того, что в этих столкновениях фотонов и ионов мы создаем небольшую плотную сильно взаимодействующую среду, которая хорошо описывается гидродинамикой — точно так же, как и в более крупных системах».

Жидкие подписи

Наблюдения за частицами, движущимися характерным образом, стали ключевым доказательством того, что более крупные системы столкновений (столкновения свинец-свинец и протон-свинец на LHC, а также столкновения золото-золото и протон-золото на RHIC) создают почти идеальную жидкость. Считалось, что картина потока возникает из-за огромных градиентов давления, создаваемых большим количеством сильно взаимодействующих частиц, образующихся там, где сталкивающиеся ионы перекрываются.

«Сталкивая эти высокоэнергетические ядра вместе, мы создаем такую ​​высокую плотность энергии — сжимая кинетическую энергию этих парней в такое маленькое пространство — что это вещество по сути ведет себя как жидкость», — сказал Шенке.

Ожидается, что сферические частицы (включая протоны и ядра), сталкиваясь лоб в лоб, будут создавать равномерный градиент давления. Но частично перекрывающиеся столкновения создают продолговатый миндалевидный градиент давления, который выталкивает больше высокоэнергетических частиц вдоль короткой оси, чем перпендикулярно ей.

Этот «эллиптический поток» был одним из первых намеков на то, что столкновения частиц в RHIC могут создать кварк-глюонную плазму, или КГП — горячий суп из фундаментальных строительных блоков, из которых состоят протоны и нейтроны ядер/ионов. Сначала ученые были удивлены жидкостным поведением QGP. Но позже они установили эллиптический поток как определяющую черту КГП и свидетельство того, что кварки и глюоны по-прежнему сильно взаимодействуют, даже когда они не ограничены отдельными протонами и нейтронами. Более поздние наблюдения подобных структур потока при столкновениях протонов с большими ядрами интригующе предполагают, что эти системы столкновений протон-ядро также могут создавать крошечные частички кварк-глюонного супа.

«Наша новая работа направлена ​​на то, чтобы довести это до еще больших пределов, рассматривая столкновения между фотонами и ядрами», — сказал Шенке.

Смена снаряда

Давно известно, что эти ультрапериферические столкновения могут создавать фотонно-ядерные взаимодействия, используя сами ядра в качестве источника фотонов. Это потому, что заряженные частицы, ускоренные до высоких энергий, такие как ядра/ионы свинца, ускоренные на LHC (и ионы золота на RHIC), излучают электромагнитные волны — частицы света. Итак, каждый ускоренный ион свинца на БАК по существу окружен облаком фотонов.

«Когда два из этих ионов проходят очень близко друг к другу, не сталкиваясь, вы можете думать, что один из них испускает фотон, который затем сталкивается с ионом свинца, идущим в обратном направлении», — сказал Шенке. «Эти события случаются часто; ионам легче едва промахнуться, чем точно попасть друг в друга».