Признание явного признака того, что производство кварк-глюонной плазмы «выключается» при низкой энергии

Физики сообщают о новых доказательствах того, что образование экзотического состояния вещества при столкновениях ядер золота на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) — ускорителе атомов в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США — можно «выключить». за счет снижения энергии столкновения. Сигнал «выключено» проявляется как изменение знака — с отрицательного на положительный — в данных, описывающих характеристики «высшего порядка» распределения протонов, образующихся в этих столкновениях.

Результаты, только что опубликованные RHIC STAR Collaboration в Письма о физическом обзорепоможет физикам наметить условия температуры и плотности, при которых может существовать экзотическая материя, известная как кварк-глюонная плазма (КГП), и определить ключевые особенности фаз ядерной материи.

«Освобождение» кварков и глюонов

Создание и изучение QGP было центральной целью исследований RHIC. С тех пор, как коллайдер начал работать в 2000 году, широкий спектр измерений показал, что наиболее энергичные столкновения атомных ядер — при 200 миллиардах электрон-вольт (ГэВ) — «расплавляют» границы протонов и нейтронов, освобождая их на короткое мгновение. , кварки и глюоны, из которых состоят обычные ядерные частицы.

Различные измерения показали, что КГП существует до 19,6 ГэВ. В новом анализе использовались данные, собранные детектором RHIC STAR во время первой фазы сканирования энергии луча RHIC, для систематического поиска энергии, при которой прекращается производство этого термализованного состояния кварков и глюонов.

«Мы проанализировали 10 энергий столкновения — от энергии центра масс 200 ГэВ, которая является самой высокой энергией столкновения RHIC между двумя золотыми лучами, до 3 ГэВ, когда один золотой луч сталкивается с неподвижной золотой мишенью», — сказал Ашиш Пандав, студент Индийского национального института научного образования и исследований (NISER), в настоящее время работает в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (LBNL). «Эти данные дают нам самое широкое на сегодняшний день покрытие ядерной фазовой диаграммы — карты того, как ядерная материя изменяется в зависимости от температуры и плотности».

Чтобы определить, создавалась ли КГП при каждой энергии столкновения, ученые изучили распределение протонов, образующихся при каждом столкновении.

Систематический анализ

«Мы измеряли, событие за событием, количество протонов за вычетом количества произведенных антипротонов и распределение этого чистого производства протонов», — сказал Бедангадас Моханти, профессор физики в NISER. Моханти и команда STAR проанализировали данные по различным характеристикам распределения, включая среднее значение, дисперсию, степень искажения данных и т. д., вплоть до так называемых характеристик 5-го и 6-го порядка.

Затем они сравнили свои наблюдения с предсказаниями, рассчитанными с использованием уравнений квантовой хромодинамики (КХД) — теории, описывающей взаимодействия кварков и глюонов, смоделированных на дискретной пространственно-временной решетке.

«В этих численных симуляциях КХД заложено формирование термализованной кварк-глюонной плазмы, поэтому, если данные совпадают с предсказаниями, это свидетельствует о присутствии КГП», — сказал Моханти.

Иерархический порядок

Расчеты КХД предсказывают иерархический порядок характеристик чистого распределения протонов и то, что определенные отношения между этими характеристиками должны иметь отрицательные значения. Данные STAR показывают, что эти термодинамические модели обычно сохраняются при любой энергии столкновения, кроме самой низкой.

«Мы знаем, что при 200 ГэВ столкновения RHIC создают КГП, но как насчет следующей энергии, 62,4 ГэВ, 54,4 ГэВ, 39, 27, 19,6?» сказал Ну Сюй, физик из LBNL и бывший представитель STAR. «При всех этих энергиях мы обнаружили предсказанную иерархию и отрицательные значения — это означает, что все данные при этих энергиях согласуются с термализованным КГП».

Ниже 19,6 ГэВ данные продолжали соответствовать предсказаниям, хотя планки погрешностей, указывающие на диапазон неопределенности этих измерений, были большими.

«Для этих энергий нам нужно больше данных», — сказал Сюй.

Но при самой низкой энергии, 3 ГэВ, ученые увидели резкий сдвиг. Порядок иерархии среди анализируемых характеристик изменился, как и знак ключевых отношений с отрицательного на положительный.

«Это изменение знака является надежным признаком, подтвержденным расчетами из первых принципов, что формирование кварк-глюонной плазмы отключается при самой низкой энергии столкновения RHIC», — сказал Сюй.

Уверенность в математике

Уверенность ученых обусловлена ​​тем фактом, что сравнения, которые они использовали, основаны на чисто математических описаниях КГП, а не на моделях, основанных на аппроксимациях кварк-глюонных взаимодействий. Они сравнивают этот «первопринципный» подход с решением простейших уравнений классической физики, таких как закон Ньютона (сила = масса x ускорение) или понимание влияния скорости на то, как далеко вы можете путешествовать (скорость x время = расстояние).

«В данном случае это решение взаимодействия кварков и глюонов с использованием КХД, которая имеет гораздо более сложные уравнения», — сказал Моханти.

Для этой работы требовались мощные компьютеры, в том числе в вычислительном центре RHIC и ATLAS (RACF) в Брукхейвенской лаборатории, в Национальном научно-исследовательском вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) в LBNL и в консорциуме Open Science Grid.

«Эти вычислительные ресурсы и решеточная КХД — подход к решению уравнений, учитывающих кварк-глюонные взаимодействия на 4D пространственно-временной решетке, — позволили нам значительно продвинуться в нашей способности делать точные предсказания поведения характеристик более высокого порядка сохраняющихся распределений заряда в КХД», — сказал Фритьоф Карш, бывший теоретик Брукхейвенской лаборатории, ныне работающий в Университете Билефельда в Германии, соавтор статьи о предсказаниях КХД.

«Очень интересно видеть, как эти предсказания, сделанные на основе расчетов из первых принципов, подтверждаются экспериментальными данными в RHIC».

Ученые надеются еще больше укрепить свою уверенность в своих выводах и поиске точки отключения QGP, проанализировав данные сканирования энергии луча II RHIC (BES II). Этот кладезь данных уменьшит неопределенность всех результатов, особенно для энергий ниже 19,6 ГэВ.

«В термализованной системе мы видим гладкую картину от 200 ГэВ до 62 ГэВ вплоть до 19,6. Затем мы видим что-то «неровное» между 20 и 3 ГэВ», — сказал Сюй.

Более ранний анализ флуктуаций чистого производства протонов показал, что неровности могут быть признаком особой комбинации температуры и давления, при которой изменяется способ формирования КГП из обычной ядерной материи. Эти результаты и добавление данных из BES II помогут сузить поиск этой так называемой критической точки.

«Это все связано», — сказал Сюй.