Тяжелые частицы попадают в поток: первые результаты нового прецизионного детектора частиц, разработанного для детального выявления свойств субатомного «супа», имитирующего раннюю Вселенную.

Столкновения частиц в RHIC — научном центре Министерства энергетики США (DOE), расположенном в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, — регулярно воссоздают крошечные спецификации кварк-глюонной плазмы (QGP), смеси кварков и глюонов, фундаментального сооружения. блоки видимой материи, которые в последний раз существовали в виде свободных частиц около 14 миллиардов лет назад. Столкновения освобождают кварки и глюоны от удержания внутри обычных частиц (например, протонов и нейтронов), поэтому ядерные физики могут изучать их взаимодействия и силу, которая удерживает их вместе во Вселенной сегодня.

Новые измерения, описанные в статье, только что опубликованной в Physical Review Letters, являются первыми результатами прецизионного обновления детектора RHIC STAR, известного как «трекер тяжелого вкуса» (HFT). В частности, в статье приводятся подробности первого прямого измерения на RHIC того, как тяжелая частица, содержащая «очаровательный» кварк, попадает в поток расширяющегося огненного шара. Это измерение — свидетельство возможностей HFT — дает ученым новое окно в понимание взаимодействия частиц, составляющих субатомный суп.

«Сравнивая наши измерения с теоретическими предсказаниями, которые включают различные параметры, которые играют роль в этих взаимодействиях, такие как коэффициент диффузии (насколько быстро очарованные кварки распространяются по плазме) и вязкость (насколько липкий QGP), мы может узнать, как эти различные свойства соотносятся друг с другом, и, в конечном счете, почему QGP ведет себя именно так, — сказал физик из Брукхейвена Флемминг Видебек, менеджер проекта, ответственный за производство STAR HFT в целом.Точное отслеживание частицЧастицы, содержащие тяжелые кварки, считаются идеальными зондами для понимания кварк-глюонной плазмы, потому что они могут иначе взаимодействовать с плазмой, чем легкие кварки, что дает тонкие подсказки о ее свойствах.

Но КГП лишь изредка выплевывает частицы, содержащие тяжелые кварки, среди тысяч других частиц, состоящих из более легких разновидностей кварков. Те немногие тяжелые частицы, которые действительно появляются, распадаются на другие частицы почти мгновенно — всего лишь доли миллиметра от огненного шара QGP, в котором они были созданы.

Эта редкость и быстрый распад затрудняют обнаружение тяжелых частиц.STAR HFT, современное устройство слежения, которое теперь находится в центре детектора размером с дом, было разработано для слежения за неуловимыми, но важными тяжелыми частицами. Разработанный физиками-ядерщиками из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, HFT — это первый кремниевый детектор на коллайдере, в котором используется технология монолитного активного пиксельного датчика — та же технология, что и в цифровых камерах.

Ультратонкие сенсоры, в отличие от многих компонентов STAR для обнаружения частиц, расположены очень близко к центральной лучевой трубе, в которой происходят столкновения. Хотя это не совсем близко, чтобы обнаружить сам тяжелый очарованный кварк, это местоположение и высокое разрешение детектора (360 миллионов пикселей размером 20 x 20 микрон каждый) позволяют ему обнаруживать признаки распада тяжелых частиц.Для этого конкретного исследования физики STAR отслеживали частицы, называемые каонами и пионами, которые появляются при распаде частиц, содержащих очаровательные кварки, известных как D-нули. Совместные усилия многих групп, участвовавших в сотрудничестве, в том числе исследователей из Брукхейвенской национальной лаборатории, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Кентского государственного университета и Иллинойского университета в Чикаго, за короткое время сделали этот анализ успешным.

«Мы используем HFT для поиска каонов и пионов, которые очень близки друг к другу — в пределах долей миллиметра друг от друга — чьи пути от столкновения выходят из единственной точки, удаленной от вершины столкновения, но не очень далеко, около 100-500 микрон », — сказал Видебек. «Это расстояние, на которое D0 проходят до распада», — пояснил он. Если каон и пион имеют правильную массу и траектории, выходящие из такой точки, ученые могут сделать вывод, что они произошли из D0 в этой точке, и использовать эти измерения для отслеживания появления D0 со всех концов QGP.«Точность наших измерений беспрецедентна», — сказал Синь Донг, физик из лаборатории Беркли, который возглавлял постдоков и студентов, проводивших физический анализ результатов с тяжелым привкусом. «Это было чрезвычайно сложно из-за помех от тысяч других частиц, образовавшихся при тех же столкновениях тяжелых ионов — это все равно что вытаскивать иголку из стога сена».

Свободные взаимодействияРезультаты, основанные на анализе десятков тысяч таких «иголок» в 1,1 миллиарда столкновений, были несколько неожиданными.Подумайте о форме, созданной, когда два сферических иона золота сталкиваются не по центру, образуя продолговатое перекрытие — что-то вроде футбольного мяча, стоящего дыбом.

Физики STAR обнаружили, что из толстой части «футбольного мяча» выходит больше D0, чем из его острых концов. Эта модель «эллиптического потока» была знакома по измерениям более легких частиц, выходящих из QGP. Но физики-ядерщики изначально не ожидали, что такие тяжелые частицы попадут в поток.

«D0 создаются в самой первой части столкновения, когда кварки и глюоны свободны», — сказал Видебек. «Физики не думали, что эти частицы тяжелых кварков будут иметь время, чтобы взаимодействовать или уравновешиваться с QGP, который существует лишь бесконечно малую долю секунды».Напротив, тот факт, что тяжелые кварки демонстрируют тот же эллиптический поток, что и более легкие частицы, свидетельствует о том, что они находятся в равновесии, взаимодействуя со свободными кварками и глюонами в КГП.«Тип потока, который мы наблюдали для частиц с тяжелыми кварками, предполагает, что их взаимодействия внутри кварк-глюонной плазмы настолько сильны, что сами тяжелые кварки становятся частью кварк-глюонного супа», — сказал Донг.

Гражина Одинец, руководитель программы «Релятивистские ядерные столкновения» лаборатории Беркли, добавила: «Открытие эллиптического потока очень массивного очарованного кварка имеет фундаментальное значение для нашего понимания фазовой динамики кварк-глюонной плазмы. предположения о природе возможного механизма (или механизмов), стоящего за этим наблюдением ".Физик Brookhaven Lab и представитель сотрудничества STAR Чжанбу Сюй отметил, что способность отслеживать поток и диффузию тяжелых частиц дает физикам-ядерщикам новый способ «увидеть» и изучить взаимодействия свободно движущихся кварков и глюонов и другие свойства QGP. — в некоторой степени аналогично тому, как ученые прошлого века отслеживали колебания пыльцевых зерен в воде, чтобы узнать о ее свойствах.

«В 1905 году Эйнштейн доказал, что атомы и молекулы существуют, и что мы можем использовать так называемое броуновское движение пыльцевых зерен для измерения свойств жидкости и других фундаментальных физических констант», — сказал Сюй. «Теперь мы можем использовать очаровательные кварки, такие как пыльцевые зерна, для измерения потока и других свойств QGP».


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *