Bilim adamları, upsilon parçacıklarının kuark-gluon plazmasında nasıl ayrıştığını izlemek için Relativistic Heavy Ion Collider’daki (RHIC) STAR dedektörünü kullandı. Bu upsilonlar, farklı bağlanma enerjilerine sahip gluonlar tarafından bir arada tutulan bir alt kuark ve anti-alt kuarktan yapılmıştır: sıkı bir şekilde bağlı temel durum (solda), bir orta çeşitlilik (sağda) ve en büyük, en gevşek bağlı durum (ortada). Kredi: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı
YILDIZ Fizikçileri Upsilonların Ardışık ‘Erimesini’ İzliyor
Bulgular, ‘dekonfinasyon’ için kanıt ve Dünya üzerindeki en sıcak maddenin kaynayan sıcaklığı hakkında fikir veriyor.{ 4}
Bir laboratuvarda şimdiye kadar oluşturulmuş en sıcak maddenin bazılarını incelemek için Göreceli Ağır İyon Çarpıştırıcısını (RHIC) kullanan bilim adamları, upsilon adı verilen üç farklı parçacık varyasyonunun sırayla nasıl “eridiğini” veya ayrıştığını gösteren ilk verilerini yayınladılar. sıcak sıvı. Physical Review Letters’da kısa süre önce yayınlanan sonuçlar, nükleer fizik araştırmaları için bu ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Office of Science kullanıcı tesisindeki iki büyük parçacık izleme deneyinden biri olan RHIC’nin STAR dedektöründen alınmıştır.
Veriler upsilonlarda, kuark-gluon plazması (QGP) olarak bilinen sıcak maddeyi oluşturan kuarkların ve gluonların “sınırsız” olduğuna veya protonlar ve nötronlar gibi diğer parçacıkların içine hapsolmuş olağan varoluşlarından bağımsız olduğuna dair daha fazla kanıt ekleyin. . Bulgular, bilim adamlarının sıcaklığı da dahil olmak üzere QGP’nin özellikleri hakkında bilgi edinmelerine yardımcı olacaktır.
“Upsilon bastırma veya ayrışma düzeyini ölçerek, QGP’nin özelliklerini anlayabiliriz” dedi. DOE’nin RHIC’nin bulunduğu Brookhaven Ulusal Laboratuvarı ve STAR işbirliği için Fizik Analiz Koordinatörü. “Yalnızca bu ölçüme dayanarak QGP’nin ortalama sıcaklığının tam olarak ne olduğunu söyleyemeyiz, ancak bu ölçüm daha büyük bir resmin önemli bir parçasıdır. Bu benzersiz madde biçimini daha net anlamak için bunu ve diğer ölçümleri bir araya getireceğiz.”
Kuvark-gluon plazmasının (arka plan) varlığında, serbest kuarklar ve gluonlar bir upsilon oluşturan alt kuark ile anti-alt kuark arasındaki etkileşimin önüne geçmek. Kuark-antikuark etkileşiminin bu şekilde taranması, upsilonun ayrışmasına veya erimesine neden olur. Veriler, gevşek bağlı upsilonların en kolay eridiğini, sıkı bağlı temel durumun ise en az eridiğini göstermektedir. Kredi: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı
Kuvarkları ve gluonları serbest bırakmak
Bilim adamları, iki tanesini hızlandırarak ve çarpıştırarak QGP oluşturmak ve incelemek için 2,4 mil çevreli bir “atom parçalayıcı” olan RHIC’yi kullanıyor çok yüksek enerjilerde altın iyonları -elektronlarından sıyrılmış atom çekirdeği- ışınları. Bu enerjik parçalanmalar, atomların proton ve nötronlarının sınırlarını eriterek içerideki kuarkları ve gluonları serbest bırakabilir.
Çarpışmaların QGP’yi yarattığını doğrulamanın bir yolu, serbest kuarkların ve gluonların birbiriyle etkileşime girdiğine dair kanıt aramaktır. diğer parçacıklar. Ağır bir kuark-antikuark çiftinden (alt-anti-alt) oluşan kısa ömürlü parçacıklar olan upsilonlar, bu görev için ideal parçacıklar haline geldi.
Solda: Brookhaven Lab fizikçisi Rongrong STAR yardımcı sözcüsü Lijuan Ruan bakarken Ma, müon teleskop dedektörü (MTD) üzerindeki bir kabloyu ayarlar. Sağda: Ma ve Ruan, MTD modüllerinin STAR’ın ev büyüklüğündeki merkezi mıknatısını çevrelediği STAR’ın tepesindeki podyumda duruyor. Kredi: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı
“Upsilon çok güçlü bir şekilde sınırlandırılmış bir durumdur; Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden bir STAR işbirlikçisi olan Zebo Tang, “ayrışmak zor” dedi. “Fakat bunu bir QGP’ye koyduğunuzda, hem kuark hem de antikuark çevresinde o kadar çok kuark ve gluon var ki, çevredeki tüm bu etkileşimler upsilon’un kendi kuark-antikuark etkileşimiyle rekabet ediyor.”
Bu “tarama” Etkileşimler upsilon’u parçalara ayırabilir; etkili bir şekilde onu eritebilir ve bilim adamlarının saydığı upsilon sayısını bastırabilir.
“Kuarklar ve gluonlar hâlâ bireysel protonlar ve nötronlar içinde hapsolmuş olsalardı, etkileşimlere katılamazlardı. kuark-antikuark çiftlerini parçalayan rakip etkileşimler,” dedi Tang.
Upsilon avantajları
Bilim adamları, QGP’deki diğer kuark-antikuark parçacıklarının, yani J/psi parçacıklarının ( tılsım-karşıtlık çiftinden yapılmıştır).Tılsım ve alt kuarklar ve antikuarklar çarpışmalarda çok erken, hatta QGP’den önce yaratılır. Çarpışma anında, çarpışan altın iyonlarının kinetik enerjisi küçücük bir boşlukta biriktiğinde, Einstein’ın ünlü denklemi E=mc2 ile enerji kütleye dönüşürken, madde ve antimaddeden birçok parçacığın oluşumunu tetikler. Kuarklar ve antikuarklar, upsilonları ve J/psi parçacıklarını oluşturmak için iş birliği yapar ve bunlar daha sonra yeni oluşan QGP ile etkileşime girebilir.
Bu grafik, her biri için upsilon verimlerindeki göreceli bolluğu ve değişimi gösterir. kuark-gluon plazma yokluğunda (sarı çubuklar) ve plazmada (arka planda QGP’li turuncu çubuklar) üç çeşidin -temel durum (1s) ve iki farklı uyarılmış durum (2s ve 3s)-. QGP’de 3s durumu için bir upsilon veriminin olmaması, tüm 3s upsilonlarının ayrışmış olabileceği anlamına gelir. Kredi: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı
Ancak daha ağır parçacıkları yapmak daha fazla enerji gerektirdiğinden, parçacık çorbasında daha ağır dip ve antialt kuarklardan çok daha fazla hafif tılsım ve anti tılsım kuark vardır. Bu, bazı J/psi parçacıklarının QGP’de ayrışmasından veya “erimesinden” sonra bile, çekicilik ve çekicilik önleyici kuarklar plazmada birbirini buldukça diğerlerinin oluşmaya devam edebileceği anlamına gelir. Bu reformasyon, ağır dip ve antialt kuarkların görece azlığı nedeniyle upsilonlarda çok nadiren gerçekleşir. Yani, bir upsilon ayrıştığında yok olur.
South China Normal University’den bir STAR işbirlikçisi olan Shuai Yang, “QGP’de ortak olmaya yetecek kadar alt-anti-alt kuark yok” dedi. “Bu, upsilon sayımlarını çok net yapıyor çünkü bastırılmaları, J/psi sayımlarının olabileceği şekilde yeniden biçimlendirmeyle bulanmaz.”
upsilonların diğer bir avantajı da, J/psi parçacıklarının aksine, üç tane gelirler. çeşitler: sıkıca bağlı temel durum ve kuark-antikuark çiftlerinin daha gevşek bağlı olduğu iki farklı uyarılmış durum. En sıkı şekilde bağlanmış versiyonun ayrılması ve daha yüksek bir sıcaklıkta eritilmesi en zor olmalıdır.
“Üç çeşit için bastırma seviyelerinin farklı olduğunu gözlemlersek, belki QGP sıcaklığı için bir aralık belirleyebiliriz.” Yang dedi.
İlk kez ölçüm
Bu sonuçlar, RHIC bilim adamlarının üç upsilon çeşidinin her biri için bastırmayı ilk kez ölçebildiklerini gösteriyor.
Şunu buldular: beklenen model: En sıkı bağlı temel durum için en az bastırma/erime; ara bağlı durum için daha yüksek bastırma; ve esasen en gevşek bağlı durumdaki upsilonlar yok – yani bu son gruptaki tüm upsilonlar eritilmiş olabilir. (Bilim adamları, en çok uyarılmış, gevşek bağlı durumun ölçümündeki belirsizlik seviyesinin büyük olduğunu belirtiyorlar.)
“Upsilon’u doğrudan ölçmüyoruz; neredeyse anında bozuluyor, ”diye açıkladı Yang. “Bunun yerine, ‘kızların’ çürümesini ölçüyoruz.”
Ekip, iki ayrışma “kanalını” inceledi. Bir bozunma yolu, STAR’ın elektromanyetik kalorimetresi tarafından toplanan elektron-pozitron çiftlerine yol açar. Pozitif ve negatif müonlara giden diğer bozunma yolu, STAR’ın müon teleskop detektörü tarafından izlendi.
Her iki durumda da, bozunma kızlarının momentumunun ve kütlesinin yeniden oluşturulması, çiftin bir yukarı silondan gelip gelmediğini belirler. Ve farklı türde upsilonların farklı kütleleri olduğundan, bilim adamları üç türü birbirinden ayırabildiler.
Brookhaven Laboratuvarı fizikçisi Lijuan Ruan, “Bu, müon teleskop dedektöründen çıkan en çok beklenen sonuç,” dedi. STAR eş sözcüsü ve muon teleskop dedektörü projesinin yöneticisi. Bu bileşen, 2005’e kadar uzanan planlama, 2010’da başlayan inşaat ve 2014’teki RHIC çalıştırması için zamanında tam kurulum ile upsilon’ları izlemek amacıyla özel olarak önerildi ve inşa edildi – bunun için 2016 ile birlikte veri kaynağı analizi.
“Çok zorlu bir ölçümdü,” dedi Ma. “Bu makale esas olarak STAR müon teleskop dedektör programının başarısını ilan ediyor. Bu sonuçlarla ilgili belirsizliklerimizi azaltmak amacıyla daha fazla veri toplamak için önümüzdeki birkaç yıl boyunca bu dedektör bileşenini kullanmaya devam edeceğiz.”
RHIC’nin yepyeni dedektörüyle birlikte STAR’ı çalıştırmanın önümüzdeki birkaç yılında daha fazla veri toplamak , sPHENIX, QGP’nin daha net bir resmini sağlamalıdır.E. Aboona ve ark. (STAR Collaboration), 14 Mart 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.112301
Aşağıdaki kurumlardan ek bilim insanları bu makaleye önemli katkılarda bulundu: National Cheng Kung Üniversitesi, Rice Üniversitesi, Shandong Üniversitesi, Tsinghua Üniversitesi, Chicago’daki Illinois Üniversitesi. Araştırma, DOE Office of Science (NP), ABD Ulusal Bilim Vakfı ve bilimsel makalede listelenen bir dizi uluslararası kuruluş ve ajans tarafından finanse edildi. STAR ekibi, Brookhaven Lab’deki Scientific Data and Computing Center’daki, DOE’nin Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki National Energy Research Scientific Computing Center’daki (NERSC) ve Open Science Grid konsorsiyumundaki bilgi işlem kaynaklarını kullandı.
.