Dešimties metų kelionė per kvarko-gliuono plazmą ir ne tik


Kvantinė chromodinamika (QCD) yra vienas iš standartinio dalelių fizikos modelio ramsčių. Tai apibūdina stiprią sąveiką – vieną iš keturių pagrindinių gamtos jėgų. Ši jėga sulaiko kvarkus ir gliuonus – bendrai vadinamus partonais – hadronuose, tokiuose kaip protonas, ir protonus bei neutronus kartu atomų branduoliuose. Du QCD požymiai yra chiralinės simetrijos pažeidimas ir asimptotinė laisvė. Chiralinės simetrijos laužymas paaiškina, kaip kvarkai generuoja hadronų mases, taigi ir didžiąją dalį matomos masės visatoje. Asimptotinė laisvė teigia, kad stipri jėga tarp kvarkų ir gliuonų mažėja didėjant energijai. Šių dviejų QCD efektų atradimas pelnė dvi Nobelio fizikos premijas 2008 m ir 2004 matitinkamai.

Didelės energijos švino branduolių susidūrimai dideliame hadronų greitintuve (LHC) tyrinėja QCD ekstremaliausiomis sąlygomis Žemėje. Šie sunkiųjų jonų susidūrimai atkuria kvarko ir gliuono plazmą (QGP): karščiausią ir tankiausią kada nors laboratorijoje tirtą skystį. Priešingai nei įprasta branduolinė medžiaga, QGP yra būsena, kai kvarkai ir gliuonai nėra apriboti hadronų viduje. Spėjama, kad visata buvo QGP būsenoje, praėjus maždaug vienai milijoninei sekundės daliai po Didžiojo sprogimo.

Skirtingi švino ir švino susidūrimo įvykio, užregistruoto ALICE 2015 m., vaizdai. (Nuotrauka: CERN)

ALICE eksperimentas buvo skirtas QGP tirti LHC energijomis. Jis buvo naudojamas LHC 1 ir 2 paleidimo metu ir atliko daugybę matavimų, kad apibūdintų QGP ir ištirtų keletą kitų stiprios sąveikos aspektų. Neseniai apžvalgakurio svarbiausi dalykai aprašyti toliau, ALICE bendradarbiavimas apžvelgia pirmąjį QCD studijų LHC dešimtmetį. Šių tyrimų rezultatai apima daugybę stebėjimų, kurie atskleidžia sudėtingą beveik tobulo QGP skysčio, atsirandančio aukštos temperatūros QCD, raidą. ALICE matavimai taip pat rodo, kad žavesio kvarkai labai greitai išsibalansuoja šiame skystyje ir gali atkurti QGP ištirpusių „charmonio“ dalelių būsenas. ALICE plačiai nubrėžė QGP nepermatomumą su didelės energijos zondais ir tiesiogiai stebėjo QCD mirusio kūgio efektą protonų ir protonų susidūrimų metu. Stebinantys į QGP panašūs parašai taip pat buvo pastebėti retų protonų ir protonų bei protonų ir švino susidūrimų metu. Galiausiai, ALICE pagamintų hadronų sąveikos matavimai taip pat atskleidė naujas savybes, turinčias didelę reikšmę branduolinei fizikai ir astrofizikai.

QGP zondavimas įvairiu mastu

QGP gali būti tikrinamas įvairiais erdvinės ir energetinės skiriamosios gebos lygiais (masteliu), naudojant daleles, susidarančias sunkiųjų jonų susidūrimų metu. Didelės energijos kvarkai ir gliuonai greitai kerta QGP ir sąveikauja su juo, kai jie išsivysto į partonų purškimą arba „srovę“, kurie galiausiai sudaro hadronus arba „hadronizą“. Sąveika su QGP sumažina reaktyvinio lėktuvo energiją ir pakeičia jo struktūrą. Pavyzdžiui, purkštukas, kurio energija yra 20 gigaelektronvoltų, gali zonduoti 0,01 femtometro atstumus (1 femtometras yra 10–15 metrų), gerokai mažesnis už maždaug 10 fm QGP dydį. Reaktyvinis modifikavimas, žinomas kaip reaktyvinis gesinimas, sukelia kelis skirtingus efektus, kuriuos matė ALICE, įskaitant didelius energijos nuostolius purkštukai ir mažesnis energijos nuostolis grožio kvarkams, palyginti su žavesio kvarkais.

Mažesnės energijos žavesio kvarkai taip pat mikroskopiškai tiria QGP ir patiria Browno judesį – atsitiktinį judėjimą, kurį garsiai ištyrė Albertas Einšteinas. ALICE pateikė įrodymų, kad šie mažesnės energijos žavesio kvarkai dalyvauja terminimo procese, kurio metu QGP pasiekia šiluminę pusiausvyrą.

Sunkiojo kvarko ir jo antimedžiagos atitikmenų arba „kvarkonijų“ surištos būsenos, tokios kaip J/ψ (charmonis) ir Υ(1S) (botomoniumas), yra erdviškai išsiplėtusios dalelės, kurių dydis yra apie 0,2 fm. Todėl jie tiria QGP didesniu mastu, palyginti su didelės energijos partonais. QGP trukdo kvarko ir antikvarko jėgai ir slopina kvarkonijų gamybą. Kvarkonijai, sudarytai iš žavesio kvarkų, ALICE parodė, kad šis slopinimas, kuris yra stipresnis silpniau susietoms būsenoms ir todėl yra „hierarchiškas“, atsveria žavesio kvarko ir žavesio antikvarko rišimas.

Kvarko ir gliuono plazmos, susidariusios susidūrus tarp sunkiųjų jonų, animacija. (Vaizdo įrašas: CERN)

Šis rekombinacijos efektas pirmą kartą buvo atskleistas LHC, kur kiekvieno susidūrimo su švinu ir švinu metu susidaro apie šimtas žavesio kvarkų ir antikvarkų. Tai yra kvarkų atskyrimo įrodymas, nes reiškia, kad kvarkai gali laisvai judėti daug didesniais nei hadrono dydis. Hierarchinį slopinimą galima paaiškinti darant prielaidą, kad pradinė QGP temperatūra yra maždaug keturis kartus aukštesnė už temperatūrą, kurioje gali įvykti perėjimas nuo įprastos hadroninės medžiagos prie QGP (apie du trilijonus laipsnių kelvino). QGP temperatūros įvertinimas taip pat buvo gautas iš ALICE matavimas fotonų, kuriuos plazma išspinduliuoja jos plėtimosi metu, todėl vidutinė temperatūra per visą laikiną susidūrimo evoliuciją yra maždaug dvigubai didesnė už QGP pereinamąją temperatūrą.

Kalbant apie didelio masto erdvinę susidūrimo evoliuciją, ALICE įrodė, kad QGP, susidaręs esant LHC energijai, sparčiausiai plečiasi, kada nors buvo pastebėta daugelio kūnų sistemai laboratorijoje. Dalelių, kurios kolektyviniu srautu išskrenda iš QGP, greičiai artėja prie maždaug 70% šviesos greičio, o nuo krypties priklausomas arba „anizotropinis“ srautas buvo stebimas beveik visuose išmatuotuose. hadronų rūšys, įskaitant lengvuosius branduolius, sudarytus iš dviejų ar trijų protonų ir neutronų. Kai kurių specifinių hadronų, turinčių priešingą elektros krūvį, srauto modelių skirtumus įtakoja didžiuliai elektromagnetiniai laukai, susidarantys ne priekinių sunkiųjų jonų susidūrimų metu.

Hidrodinamika pagrįsti skaičiavimai, kurie iš pradžių buvo skirti skysčiams apibūdinti kelių šimtų kelvino laipsnių temperatūroje, apibūdina visus stebimus srautus ir parodo, kad ši teorinė sistema yra geras daugelio kūnų QCD sąveikos trilijonais kelvino laipsnių apibūdinimas. Toks aprašymas pasiekiamas itin svarbiu mažo QGP įtraukimu klampumaskuris yra mažiausias kada nors nustatytas ir todėl nustato QGP kaip tobuliausią skystį.

Hadronų susidarymas aukštoje temperatūroje

Vykstant sunkiųjų jonų susidūrimui, QGP atvėsta žemiau pereinamosios temperatūros ir hadronizuojasi. Po šios hadronizacijos energijos tankis gali būti pakankamai didelis, kad būtų galima neelastinga (hadronus sukurianti) sąveika, kuri keičia terpės „cheminę“ sudėtį, atsižvelgiant į dalelių rūšis. Tokia sąveika nutrūksta esant cheminei užšalimo temperatūrai, kuriai esant fiksuojama dalelių sudėtis. Elastinės (nesukuriančios hadronų) sąveikos vis tiek gali tęstis ir sustoti esant kinetinio užšalimo temperatūrai, kuriai esant fiksuojamas dalelių momentas.

ALICE atlikti hadronų gamybos matavimai per visą akimirką pateikė išsamų šios hadronų chemijos atvaizdą ir rodo, kad mažo impulso hadronai susidaro rekombinuojant kvarkus iš QGP. Teoriniai modeliai, kuriuose hadrono „dujos“ yra cheminėje pusiausvyroje po QGP fazės, apibūdina santykinį hadronų rūšių gausą, naudojant tik dvi savybes: cheminę užšalimo temperatūrą, kuri yra labai artima QCD prognozuojamai pereinamojo laikotarpio temperatūrai, ir nulinis „bariocheminis potencialas“ neapibrėžtumo ribose, o tai rodo LHC gaminamo QGP materijos ir antimedžiagos simetriją.

Be to, ALICE tyrimai hadrono dujų fazėje rodo, kad ši fazė yra užsitęsusi ir kad dalelių atsiejimas nuo besiplečiančių hadrono dujų greičiausiai bus nuolatinis procesas.

Kokios yra QGP formavimo ribos?

namo.cernas
Didėjant dalelių, susidarančių protonų ir protonų susidūrimų metu, skaičiui (mėlynos linijos), išmatuojama daugiau dalelių, kuriose yra bent vienas keistas kvarkas (oranžiniai ar raudoni kvadratai). (Nuotrauka: CERN)

Tiriant, kaip stebimi dalykai, pvz., dalelių gamybos išeiga ir kelių dalelių koreliacijos, keičiasi dėl protonų ir protonų bei protonų ir švino susidūrimų skaičiaus – bendras pagamintų dalelių skaičius, tai yra priemonė ištirti slenksčius, reikalingus QGP sudarymui. Daugialypių protonų ir protonų bei protonų ir švino susidūrimų ALICE matavimų rinkinys pasižymi panašiomis savybėmis kaip ir švino ir švino susidūrimų atveju, kai jos yra susijusios su QGP susidarymu. Poveikis apima dalelių su keistais kvarkais išeigos padidėjimą, anizotropinį srautą, nustatytą iš dalelių koreliacijos, ir silpnai surišto šarmoniumo būsenos ψ (2S) išeiga sumažėjimas protonų ir švino susidūrimų metu. Šie stebėjimai buvo vieni labiausiai stebinančių ir netikėčiausių per pirmuosius dešimt LHC veikimo metų.

Stipriai sąveikaujančios sistemos hidrodinaminės sistemos ir teorinių modelių gebėjimas apibūdinti daugelį stebimų ypatybių, net ir esant mažam dažniui, rodo, kad QGP formavimuisi nėra jokios akivaizdžios erdvinės ribos. Tačiau alternatyvūs modeliai, kuriems nereikia QGP, taip pat gali paaiškinti ribotą šių funkcijų skaičių. Šie modeliai meta iššūkį QGP formavimo idėjai, ir tai gali būti paremta tuo, kad iki šiol mažoje protonų ir švino susidūrimo sistemoje nepastebėtas reaktyvinis gesinimas. Tačiau tokį nebuvimą taip pat gali sukelti nedidelis galimo QGP lašelio erdvinis mastas, dėl kurio sumažėtų srovės gesinimas. Todėl mažiausios susidūrimo sistemos, dėl kurios susidaro QGP, paieška lieka atvira.

Kelių kūnų sąveikos tyrinėjimas

ALICE tyrimai dėl kelių kūnų QCD sąveikų, tokių kaip protonų ir protonų susidūrimų arba sunkiųjų jonų susidūrimų metu, kai susidūrę branduoliai tik eina vienas pro šalį, pateikė platų matavimų spektrą. Pavyzdžiai: tikslūs matavimai, rodantys, kad šių susidūrimų metu hadronų susidarymas iš žavesio kvarkų skiriasi nuo lūkesčių, pagrįstų elektronų susidūrimo matavimais, ir pirmasis tiesioginis mirusio kūgio efekto stebėjimas, kurį sudaro masyvios medžiagos spinduliuojamų gliuonų slopinimas. kvarkas į priekį kūgiu aplink savo skrydžio kryptį.

Ganykliniai susidūrimai, žinomi kaip ultraperiferiniai susidūrimai, suteikia galimybę ištirti vidinę nukleonų (protonų arba neutronų) struktūrą, išspinduliuojant fotoną iš vieno branduolio, kuris sąveikauja su kitu branduoliu. ALICE šių susidūrimų tyrimai rodo aiškius įrodymus, kad branduolyje surištų nukleonų vidinė struktūra skiriasi nuo laisvųjų protonų.

ALICE užfiksuoti dideli protonų ir protonų bei protonų ir švino susidūrimų duomenų pavyzdžiai leido ištirti stiprią protonų ir hiperonų sąveiką – nestabilias daleles, kuriose yra keistų kvarkų ir kurios gali būti neutroninių žvaigždžių šerdyje. ALICE parodė, kad protono ir Lambda, Xi ar Omega hiperono sąveika yra patraukli. Šios sąveikos gali turėti įtakos stebimų didelės masės neutroninių žvaigždžių stabilumui. Be to, ALICE atlikti hipertritono – nestabilaus branduolio, sudaryto iš protono, neutrono ir lambda – gyvavimo trukmės ir surišimo energijos matavimai yra tiksliausi iki šiol ir atskleidžia stiprią sąveiką, kuri sujungia hiperbranduolius.

ALISOS dabartis ir ateitis

Po didelio atnaujinimo ALICE eksperimentas pradėjo registruoti 3 eigos protonų ir protonų susidūrimus 2022 m. liepos mėn. Kitas plataus masto švino ir švino susidūrimų duomenų rinkimas planuojamas 2023 m., o bandomasis bandymas turėtų būti atliktas 2022 m. pabaigoje. atnaujintas detektorius daug tiksliau atkurs dalelių trajektorijas ir fiksuos švino ir švino susidūrimus didesniu greičiu. Su gautu, daug didesniu Run 3 ir tada Run 4 duomenų rinkiniusReti QGP zondai, kurie jau buvo naudojami per pastarąjį dešimtmetį, tokie kaip sunkieji kvarkai ir purkštukai, taps itin tiksliais QGP tyrimo įrankiais. ALICE taip pat toliau naudos mažas susidūrimo sistemas, kad ištirtų, be kita ko, mažiausią QGP lašelį, kuris gali susidaryti, ir protono vidinę struktūrą.

Be tolesnių mažesnio masto, bet labai novatoriškų atnaujinimų kitam LHC ilgam išjungimui, ALICE bendradarbiavimas parengė pasiūlymą dėl visiškai naujo detektoriaus, kuris bus naudojamas 2030 m. Naujasis detektorius atvers dar daugiau naujų tyrinėjimo būdų, įskaitant žavesio dalelių koreliacijų, chiralinės simetrijos atkūrimo QGP ir QGP temperatūros evoliucijos laike tyrimą.