Tegn på metning dukker opp fra partikkelkollisjoner ved RHIC

Kjernefysikere som studerer partikkelkollisjoner ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – et brukeranlegg ved US Department of Energy Office of Science ved DOEs Brookhaven National Laboratory – har nye bevis på at partikler kalt gluoner når en jevn “mettet” tilstand inne i de raske ionene. Beviset er undertrykkelse av rygg-mot-rygg-par av partikler som kommer fra kollisjoner mellom protoner og tyngre ioner (atomkjernene), som spores av RHICs STAR-detektor. I en avis nettopp publisert i Fysiske gjennomgangsbrevviser STAR-samarbeidet at jo større kjernen protonet kolliderer med, jo større er undertrykkelsen i denne nøkkelsignaturen, som forutsagt av teoretiske modeller for gluonmetning.

“Vi varierte arten til den kolliderende ionestrålen fordi teoretikere spådde at dette tegnet på metning ville være lettere å observere i tyngre kjerner,” forklarte Brookhaven Lab-fysiker Xiaoxuan Chu, et medlem av STAR-samarbeidet som ledet analysen. “Det gode er at RHIC, verdens mest fleksible kolliderer, kan akselerere forskjellige arter av ionestråler. I vår analyse brukte vi kollisjoner av protoner med andre protoner, aluminium og gull.”

Metning bør være lettere å se i aluminium, og enda lettere i gull, sammenlignet med enklere protoner, forklarte Chu, fordi disse større kjernene har flere protoner og nøytroner, hver består av kvarker og gluoner.

Tidligere eksperimenter har vist at når ioner akselereres til høye energier, deler gluoner seg, en i to, for å multiplisere til svært høye tall. Men forskere mistenker at gluonformering ikke kan fortsette for alltid. I stedet, i kjerner som beveger seg nær lysets hastighet, der relativistisk bevegelse flater ut kjernene til raske gluon-“pannekaker”, bør overlappende gluoner begynne å rekombinere.

“Hvis frekvensen av to gluoner som rekombinerer til en balanserer ut hastigheten på splitting av enkelt gluoner, når gluontettheten en stabil tilstand, eller platå, hvor den ikke går opp eller ned. Det er metning,” sa Chu. “Fordi det er flere gluoner og flere overlappende gluoner i større kjerner, bør disse større ionene vise tegn på rekombinasjon og metning lettere enn mindre,” la hun til.

Skanner etter rygg-mot-rygg-par

For å søke etter disse tegnene, skannet STAR-forskerne data samlet i 2015 for kollisjoner der et par “pi null”-partikler traff STARs fremre mesonspektrometer i en rygg-mot-rygg-konfigurasjon. I dette tilfellet betyr rygg mot rygg 180 grader fra hverandre rundt et sirkulært mål ved enden av detektoren i forovergående retning av sonderingen proton stråle. Disse kollisjonene velger for interaksjoner mellom en enkelt høyenergikvark fra det sonderende protonet med et enkelt gluon med lavt momentum i målionet (proton, aluminium eller gull).

“Vi bruker kvarken fra protonet som et verktøy, eller sonde, for å studere gluonet inne i det andre ionet,” sa Chu.

Teamet var spesielt interessert i gluonene med “lav momentum-fraksjon” – mengden av gluoner som hver bærer en liten brøkdel av kjernens totale momentum. Eksperimenter med HERA-akseleratoren i Tyskland (1992–2007) har vist at ved høy energi domineres protoner og alle kjerner av disse gluonene med lavt momentum.

I proton-proton kollisjoner, kvark-gluon-interaksjonene er veldig enkle, forklarte Chu. “De to partiklene – kvark og gluon – treffer hverandre og genererer to pi-null-partikler rygg mot rygg,” sa hun.

Men når en kvark fra protonet treffer et gluon i en større utflatet kjerne, hvor mange gluoner overlapper hverandre, kan interaksjonene være mer komplekse. Kvarken – eller den slåtte gluonen – kan treffe flere ekstra gluoner. Eller gluonet kan rekombinere med et annet gluon, og miste all “minne” av sin opprinnelige tendens til å sende ut en pi null.

Begge prosessene – flere spredninger og gluonrekombinasjon – bør “smøre” rygg-mot-rygg pi-null-signalet, forklarte Elke Aschenauer, lederen av Brookhaven Labs “Cold QCD”-eksperimentgruppe, som utforsker detaljer om kvantekromodynamikk (QCD), teori som styrer interaksjonene mellom kvarker og gluoner i protoner og kjerner.

“Så, proton-protonkollisjonene gir oss en grunnlinje,” sa Chu. “I disse kollisjonene har vi ikke metning fordi det ikke er nok gluoner og ikke nok overlapping. For å se etter metning, sammenligner vi det observerbare av to-partikkelkorrelasjonen på tvers av de tre kollisjonssystemene.”

Resultatene samsvarer med teoriprediksjonen

Resultatene kom ut akkurat som teoriene forutså, med fysikerne som observerte færrest rygg-mot-rygg korrelerte partikler som traff detektoren i proton-gull-kollisjonene, et mellomnivå i proton-aluminium-kollisjoner og den høyeste korrelasjonen i grunnlinjeprotonet. -protonkollisjoner.

Undertrykkelsen av pi null-korrelasjonen i de større kjernene, og det faktum at undertrykkelsen blir sterkere jo større kjernen blir, er klare bevis, sier forskerne, på gluonrekombinasjon som er nødvendig for å nå gluonmetning.

“STAR vil følge opp disse målingene ved å samle inn ytterligere data i 2024 ved å bruke nylig oppgraderte foroverdetektorkomponenter, spore andre observerbare som også bør være følsomme for metning,” forklarte Brookhaven Lab-fysiker Akio Ogawa, medlem av STAR-samarbeidet og en nøkkelspiller i bygge de nye fremre STAR-detektorsystemene.

Sammen vil RHIC-resultatene også være et viktig grunnlag for svært like målinger ved den fremtidige elektron-ionekollideren (EIC), som bygges ved Brookhaven for å kollidere elektroner med ioner.

I følge Aschenauer, en av fysikerne som legger planene for forskning ved det anlegget, “Hvis vi måler dette nå ved RHIC, ved en kollisjonsenergi på 200 milliarder elektronvolt (GeV), er det veldig likt kollisjonsenergien vi vil få på EIC. Det betyr at vi kan bruke det samme observerbare ved EIC for å teste om rekombinasjon og metning er universelle egenskaper for kjernene, som forutsagt av metningsmodellene.”

Å se det samme resultatet på begge anleggene, “ville bevise at disse egenskapene ikke avhenger av strukturen og typen av sonden vi bruker for å studere dem,” sa hun.

---

---