Главная Новости Ученые описали, как джеты теряют энергию в кварк-глюонной плазме

Ученые описали, как джеты теряют энергию в кварк-глюонной плазме

Ученые, изучающие столкновения частиц на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), обнаружили, как определенные джеты частиц теряют энергию при прохождении через уникальную форму ядерной материи, созданную при этих столкновениях, передает Альтернативная наука.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review C, должны помочь узнать ключевые "транспортные свойства" кварк-глюонной плазмы (КГП).

"Глядя на то, как потоки частиц замедляются при движении через КГП, мы можем узнать о ее свойствах так же, как изучение движения объектов через воду может рассказать о ее плотности и вязкости", - говорит Рагхав Куннавалкам Элаявалли, постдокторант Йельского университета и член коллаборации эксперимента STAR в RHIC.

На данный момент известно множество способов, вследствие которых джет способен потерять энергию - или оказаться "погашенным". Поэтому бывает трудно определить, какая из этих причин создает эффект гашения.

Благодаря новым результатам, STAR впервые определил конкретную популяцию джетов, для которых можно виден механизм: отдельные кварки, испускающие глюоны при взаимодействии с КСП.

Физики предполагают использовать эти данные для уточнения своих расчетов, описывающих фундаментальные свойства горячего кваркового «супа».

"Джеты очень полезны, потому что они говорят о том, как кварки взаимодействуют сами с собой", - говорит Коля Каудер, физик из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, где расположен RHIC.

Речь идет о "квантовой хромодинамике" - теории, описывающей взаимодействие кварков и глюонов при помощи ядерной силы.

В кварк-глюоновой плазме

Сильные ядерные силы играют важную роль в формировании структуры всего, что мы видим во Вселенной. Видимая материя состоит из атомов, в основе которых лежат протоны и нейтроны. Эти частицы, в свою очередь, состоят из кварков, которые удерживаются вместе благодаря обмену частицами-переносчиками сильных сил - глюонами.

RHIC. Здесь воссоздают протовселенную

Но кварки не всегда связаны друг с другом. Ученые считают, что кварки и глюоны свободно перемещались по Вселенной уже через микросекунду после Большого взрыва, еще до формирования «супа» из фундаментальных строительных блоков материи.

RHIC, пользовательская установка Управления по науке Министерства энергетики США, была построена для воссоздания и изучения кварк-глюонной плазмы, того самого «супа», породившего первые протоны и нейтроны.

RHIC воссоздает кварковый мир ранней Вселенной, направляя ядра тяжелых атомов, таких как золото, в лобовые столкновения почти со скоростью света.

Выделяющаяся энергия создает тысячи новых субатомных частиц, включая кварки (E=mc2). Она также "плавит" границы отдельных протонов и нейтронов, освобождая внутренние кварки и глюоны.

Ученые уже более двух десятилетий отслеживают, как различные типы частиц проходят через образовавшуюся кварк-глюонную плазму. К ним относятся коллимированные джеты, возникающие в результате фрагментации кварков или глюонов.

Ученые обнаруживали, что частицы с высоким импульсом и джеты теряют энергию при прохождении через сгусток горячей КГП. В новом исследовании они описали детали конкретного механизма гашения струй в одном из подмножеств частиц.

Когда джеты теряют энергию

В данном исследовании особое внимание было уделено струям частиц, возникающим одна за другой (так называемые диджеты), когда один джет, находящийся вблизи поверхности сгустка КГП, легко вылетает с большим количеством энергии, а струя отдачи, проходящая более длинный путь в противоположном направлении, гасится плазмой.

Yakaboo UA

Физики STAR отследили энергию частиц, составляющих "конус" отдачи. Сравнение этой энергии с энергией вырвавшегося (или "спускового") джета позволяет определить, сколько энергии было потеряно.

Физики также разделили все события на те, которые привели к образованию относительно узких джетов, и те, которые произвели более широкие потоки частиц.

"Наша интуиция подсказывает нам, что нечто более массивное, движущееся через среду, должно терять больше энергии", - говорит Куннавалкам Элаявалли.

"Если поток узкий, он может как бы пробивать среду, поэтому ожидается меньшая потеря энергии, чем в случае более широким джетом, который взаимодействием с большим количеством плазмы. Это было ожидаемо".

"Подумайте о крупном пловце, который движется по воде не по течению, - предложил он. - Вы ожидаете увидеть более широкий след, удаляющийся от человека, чем след тонкого, обтекаемого пловца.

В случае с частицами мы ожидали, что более широкий "след", создаваемый более широкими джетами, вытолкнет частицы за пределы их обнаружения.

Но мы выяснили, что для этого конкретного подмножества джетов, которые мы изучали в RHIC, не имеет значения угол раскрытия струи; все они теряют энергию одинаково".

 

Для узких и широких потоков частиц суммирование энергии всех высоко- и низкомоментных частиц внутри "конуса" может объяснить всю энергию, "потерянную" в результате гашения. То есть, хотя эти джеты теряли энергию, она была преобразована в частицы с меньшим импульсом, которые оставались в пределах конуса.

"Когда джеты теряют энергию, эта потерянная энергия преобразуется в частицы с меньшим моментом. Вы не можете просто потерять энергию; она должна быть сохранена", - поясняет Каудер.

«Но сюрпризом стало то, что вся энергия осталась в пределах конуса».

Механизм потери энергии

Полученные результаты имеют важные следствия для понимания того, когда происходит гашение джетов.

"Отсутствие разницы между широкими и узкими джетами означает, что механизм потери энергии не зависит от субструктуры потока частиц. Потеря энергии должна произойти до линии разделения струй - до того, как появится угол раскрытия, узкий или широкий", - говорит Куннавалкам Элаявалли.

"Вероятно, одиночный кварк, проходя через плазму, излучал глюоны (отдавал энергию), взаимодействуя с другими кварками в КГП, затем он расщепился, создав джетовую субструктуру. Глюоны превращаются в другие частицы с меньшим импульсом, которые остаются в пределах конуса, и именно эти частицы мы измеряем", - пояснил физик.

Yakaboo UA

Если бы потеря энергии произошла после расщепления струи, то каждая частица, составляющая подструктуру джета, потеряла бы энергию, при этом вероятность того, что частицы распространятся за пределы конуса, была бы выше. Иными словами, они образовали бы "след" за пределами области, где физики могли бы их измерить.

Знание конкретного механизма потери энергии для этих джетов поможет теоретикам уточнить свои расчеты потери энергии при «транспортировке» в КГП - свойствами, которые в некоторой степени аналогичны вязкости и плотности воды.

Это также даст возможность лучше понять фундаментальные взаимодействия сильных сил между кварками.

"Получение количественного понимания свойств этой плазмы имеет первостепенное значение для изучения эволюции ранней Вселенной, - убежден Элаявалли, - включая то, как первобытный суп превратился в протоны и нейтроны, из которых сегодня состоит наш мир".

"Данные измерения, по сути, начинают следующую эру физики, которая позволит нам дифференцированно изучать пространственно-временную эволюцию КГП".

По материалам energy.gov