Eine neue Analyse von Daten aus dem PHENIX-Experiment am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) enthüllt neue Beweise dafür, dass Kollisionen selbst sehr kleiner Kerne mit großen winzigen Flecken eines Quark-Gluon-Plasmas (QGP) entstehen könnten. Wissenschaftler glauben, dass eine solche Substanz aus freien Quarks und Gluonen, den Bausteinen von Protonen und Neutronen, das Universum nur einen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall durchdrungen hat. RHICs energetische Zerschlagung von Goldionen – den Kernen von Goldatomen, denen ihre Elektronen entzogen wurden – erzeugt routinemäßig ein QGP, indem diese Kernbausteine „geschmolzen“ werden, damit Wissenschaftler die Eigenschaften des QGP untersuchen können.
Physiker dachten ursprünglich, dass Kollisionen kleinerer Ionen mit großen kein QGP erzeugen würden, weil das kleine Ion nicht genug Energie abgeben würde, um die Protonen und Neutronen des großen Ions zu schmelzen. Aber Beweise von PHENIX deuten schon seit langem darauf hin, dass diese kleinen Kollisionssysteme Partikelströmungsmuster erzeugen, die mit der Existenz winziger Flecken der Ursuppe, dem QGP, vereinbar sind. Die neuen Erkenntnisse, gerade veröffentlicht in Briefe zur körperlichen UntersuchungUntermauern Sie die Argumente für diese winzigen Tröpfchen des QGP. Das Papier liefert den ersten direkten Beweis dafür, dass energiereiche Teilchen, die in den kleinen Kollisionssystemen von RHIC erzeugt werden, manchmal Energie verlieren und auf dem Weg nach draußen deutlich langsamer werden.
„Wir haben zum ersten Mal in einem kleinen Kollisionssystem die Unterdrückung energiereicher Teilchen festgestellt, was einer der beiden Hauptbeweise für das QGP ist“, sagte Yasuyuki Akiba, Sprecher der PHENIX-Kollaboration, ein Physiker am japanischen RIKEN Nishina Center for Accelerator -basierter Gruppenleiter für Wissenschaft und Experimente am RIKEN-BNL Research Center (RBRC) im Brookhaven Lab.
Strahllöschung als Zeichen von QGP
Die Suche nach der Unterdrückung hochenergetischer Teilchenstrahlen oder der Strahllöschung war schon in den Anfängen eines der Hauptziele des RHIC, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science für Kernphysikforschung, die im Jahr 2000 im Brookhaven Lab ihren Betrieb aufnahm. Jets entstehen, wenn ein Quark oder Gluon in einem Proton oder Neutron in einem der RHIC-Ionenstrahlen intensiv mit einem Quark oder Gluon in den Kernpartikeln kollidiert, aus denen der Strahl besteht in die entgegengesetzte Richtung fahren. Diese starken Wechselwirkungen können einzelne Quarks oder Gluonen mit enormer Energie aus den kollidierenden Kernbausteinen herausschleudern, wodurch die energiereichen Teilchen schnell in Kaskaden oder Jets anderer Teilchen umgewandelt werden.
Wenn die Kollision die Kernmaterie nicht zu einer Suppe aus freien Quarks und Gluonen – den QGP – schmilzt, segeln diese energiereichen Teilchenströme oder ihre Zerfallsprodukte frei hinaus, um von den RHIC-Detektoren gezählt zu werden. Wenn die Kollisionen jedoch tatsächlich ein QGP bilden, bleibt das freigeschleuderte Quark oder Gluon trotz seiner Energie in Wechselwirkungen mit den Quarks und Gluonen verwickelt, aus denen das Plasma besteht.
„Diese Wechselwirkungen führen zu Energieverlusten“, erklärte Gabor David, ein PHENIX-Physiker von der Stony Brook University (SBU), der einer der Leiter der neuen Analyse war.
„Man kann es sich wie den Unterschied zwischen dem Laufen durch Luft und dem Laufen durch Wasser vorstellen“, sagte er. Der QGP ist wie das Wasser; es verlangsamt die Partikel. Dadurch erreichen Jets den Detektor nur mit einem Bruchteil ihrer ursprünglichen Energie.
Um nach dieser Unterdrückung zu suchen, müssen die Physiker zunächst die Anzahl der energiereichen Teilchen abschätzen, die von den Gold-Gold-Zusammenstößen zu erwarten wären, indem sie mathematisch von einfachen Proton-Proton-Kollisionen auf die Anzahl der Protonen und Neutronen hochskalieren, die an Kollisionen schwererer Ionen beteiligt sind als Gold. Die berechneten Werte geben indirekt Aufschluss darüber, ob die Kollision im Totpunkt zwischen den beiden Goldionen stattfindet oder ob es sich um eine Streifkollision handelt, bei der die Ionen an den Rändern einander seitlich abstreifen. Es wird erwartet, dass zentrale Kollisionen mehr Jets erzeugen als periphere. Es ist aber auch wahrscheinlicher, dass sie einen größeren QGP und damit eine höhere Strahlunterdrückung erzeugen.
Diese Methode hat bei den Gold-Gold-Smashups wunderbar funktioniert.
„Wir haben erwartet, dass wir bei den zentralsten Gold-Gold-Kollisionen im Vergleich zu Proton-Proton-Kollisionen 1.000 Mal mehr energiereiche Teilchen oder Jets sehen würden“, sagte Akiba. „Aber wir sahen nur etwa das 200-fache des Proton-Proton-Niveaus, ein Fünftel der erwarteten Zahl. Das ist eine Unterdrückung um den Faktor fünf.“
Diese Jet-Unterdrückung ist ein klares Zeichen dafür, dass die Gold-Gold-Kollisionen das QGP erzeugen. Dies steht auch im Einklang mit einer weiteren Schlüsselsignatur der QGP-Bildung bei diesen Kollisionen – nämlich den charakteristischen Mustern des Partikelflusses, die durch hydrodynamische Eigenschaften des „perfekten flüssigen“ Plasmas verursacht werden.
Als PHENIX-Wissenschaftler ähnliche hydrodynamische Strömungsmuster in kleinen Kollisionssystemen beobachteten, was darauf hindeutete, dass es möglicherweise winzige Tropfen des QGP geben könnte, machten sie sich auch bei diesen Ereignissen auf die Suche nach einer Strahlunterdrückung. Die Ergebnisse waren überraschend: Während die zentralsten Kollisionen von Teilchen wie Deuteronen – einem Proton und einem Neutron – mit Goldionen Anzeichen einer Jet-Unterdrückung zeigten, schienen peripherere Kollisionen eine Zunahme energiereicher Jets zu zeigen.
„Es gab keine Erklärung dafür, warum das passieren sollte – absolut keine“, sagte David.
Wenden wir uns den direkten Photonen zu
Wie sich herausstellte, war der überraschende Anstieg ein Artefakt der indirekten Art und Weise, wie die Physiker die Zentralität der Kollisionen bestimmt hatten. Sie fanden dies heraus, indem sie einen alternativen und direkteren Ansatz ausprobierten, wie in der neuen Arbeit beschrieben. Anstatt Berechnungen auf der Grundlage eines geometrischen Modells zu verwenden, um die Anzahl der an den Kollisionen beteiligten Kernteilchen – Protonen und Neutronen – abzuschätzen, verwendeten sie eine direkte Messung dieser Wechselwirkungen durch Zählen sogenannter „direkter“ Photonen.
Dies ist möglich, denn so wie eine RHIC-Kollision ein energiereiches Quark oder Gluon freisetzen kann, kann diese Wechselwirkung auch ein hochenergetisches Photon oder Lichtteilchen erzeugen. Diese direkten Photonen entstehen bei der Kollision direkt zusammen mit den freigeschleuderten Quarks und Gluonen und in Mengen proportional zu ihnen.
Durch die Zählung der direkten Photonen, die auf ihren Detektor treffen, konnten die PHENIX-Wissenschaftler die Zentralität der Kollisionen direkt messen und genau wissen, wie viele energiereiche Quarks oder Gluonen freigeschleudert wurden – das heißt, wie viele Jets zu erwarten sind.
„Je zentraler die Kollision ist, desto mehr Wechselwirkungen kann es zwischen den Quarks und Gluonen eines kleinen kollidierenden Deuterons mit den Quarks und Gluonen in den Protonen und Neutronen eines Goldions geben“, erklärte Axel Drees von der SBU, ein weiterer Leiter der Analyse. „Zentrale Kollisionen erzeugen also mehr direkte Photonen und sollten energiereichere Jet-Partikel erzeugen als flüchtige Kollisionen.“
Aber anders als die Quarks und Gluonen interagieren die Photonen nicht mit dem QGP.
„Wenn Photonen erzeugt werden, entkommen sie dem QGP völlig ohne Energieverlust“, sagte Drees.
Wenn also kein QGP vorhanden ist, sollten die Photonen und energiereichen Teilchen in proportionalen Mengen erfasst werden. Wenn jedoch bei zentralen Kollisionen die Anzahl der detektierten energiereichen Jet-Partikel deutlich geringer ist als die Anzahl der direkten Photonen derselben Energie, könnte dies ein Zeichen dafür sein, dass ein QGP vorhanden ist, das die Jets löscht.
Niveditha Ramasubramanian, eine von David damals betreute Doktorandin, übernahm die anspruchsvolle Aufgabe, die direkten Photonensignale aus den Deuteron-Gold-Kollisionsdaten von PHENIX herauszuarbeiten. Als ihre Analyse abgeschlossen war, verschwand die frühere, unerklärliche Zunahme von Jets, die aus peripheren Kollisionen hervorgingen, vollständig. Bei den zentralsten Kollisionen gab es jedoch immer noch ein starkes Signal der Unterdrückung.
„Die ursprüngliche Motivation, diese komplexe Analyse durchzuführen, bestand nur darin, den seltsamen Anstieg energiereicher Jets bei peripheren Kollisionen besser zu verstehen, was wir getan haben“, sagte Ramasubramanian, eine Co-Autorin der Arbeit, die ihren Doktortitel erworben hat. – und einen Thesis Award beim RHIC & AGS Users Meeting 2022 – für ihre Beiträge zu diesem Ergebnis. Heute ist sie wissenschaftliche Mitarbeiterin am französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung und fügte hinzu: „Die Unterdrückung, die wir bei den zentralsten Kollisionen beobachteten, war völlig unerwartet.“
„Wenn wir die direkten Photonen als präzises, genaues Maß für die Kollisionszentralität verwenden, können wir die Unterdrückung (bei Zentralkollisionen) eindeutig erkennen“, sagte Akiba.
David bemerkte: „Die neue Methode basiert ausschließlich auf beobachtbaren Größen und vermeidet die Verwendung theoretischer Modelle.“
Der nächste Schritt wird darin bestehen, die gleiche Methode auf andere kleine Kollisionssysteme anzuwenden.
„Laufende Analysen der Protonen-Gold- und Helium-3-Gold-Daten von PHENIX mit derselben Technik werden dazu beitragen, die Ursprünge dieser Unterdrückung weiter zu klären, um unser aktuelles Verständnis zu bestätigen oder sie durch konkurrierende Erklärungen auszuschließen“, sagte Drees.
Diese Forschung wurde vom DOE Office of Science (NP), der National Science Foundation und einer Reihe von in der wissenschaftlichen Arbeit aufgeführten US-amerikanischen und internationalen Universitäten und Organisationen finanziert. Das PHENIX-Experiment sammelte von 2000 bis 2016 Daten am RHIC und die Analyse dieser Daten ist, wie aus diesem Artikel hervorgeht, noch nicht abgeschlossen.
