Un nuevo análisis de los datos del experimento PHENIX en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) proporciona nueva evidencia de que las colisiones de núcleos muy pequeños con núcleos grandes pueden producir pequeñas gotas de plasma de quarks y gluones (QGP). Los científicos creen que esta materia formada por quarks y gluones libres, los componentes básicos de los protones y neutrones, se extendió por el universo una fracción de segundo después del Big Bang. La fragmentación energética de iones de oro del RHIC (los núcleos de los átomos de oro que han sido despojados de sus electrones) “derrite” rutinariamente estos bloques de construcción nucleares para formar un QGP para que los científicos puedan estudiar las propiedades del QGP.
Los físicos originalmente pensaron que los iones más pequeños que colisionaran con iones más grandes no formarían un QGP porque el ion más pequeño no habría acumulado suficiente energía para fundir los protones y neutrones del ion más grande. Pero la evidencia de PHENIX ha sugerido durante mucho tiempo que estos pequeños sistemas de colisión producen patrones de flujo de partículas consistentes con la existencia de pequeñas gotas de la sopa primordial, el QGP. Nuevos descubrimientos, recién publicados. cartas de examen fisicoFortalezca el caso de estas pequeñas gotas de QGP. Este artículo proporciona la primera evidencia directa de que las partículas energéticas producidas en el sistema de minicolisión del RHIC a veces pierden energía y disminuyen significativamente su velocidad a lo largo del camino.
“Encontramos, por primera vez en un pequeño sistema de colisión, la compresión de partículas energéticas, dos pruebas clave para el QGP”, dijo el portavoz de Phoenix Collaboration, Yasuyuki Akiba, físico del Centro de Aceleradores RIKEN Nishina en Japón. uno de.” Investigación RIKEN-BNL en el Centro basado en líderes de grupos experimentales y científicos (RBRC) en Brookhaven Lab.
La extinción por chorro como símbolo de QGP
La supresión de chorros de partículas de alta energía, o “extinción de chorros”, ha sido un objetivo importante en RHIC, una instalación usuaria de la Oficina de Ciencias del DOE para la investigación de física nuclear, desde los primeros días en que comenzó a operar en el laboratorio de Brookhaven en 2000. Los chorros se forman cuando quarks o gluones dentro de protones o neutrones en uno de los haces de iones del RHIC chocan violentamente con quarks o gluones en partículas atómicas que viajan en dirección opuesta para formar el haz. Estas fuertes interacciones pueden liberar quarks o gluones individuales de los bloques de construcción atómicos en colisión con mucha energía, lo que transforma rápidamente las partículas energéticas en cascadas o chorros de otras partículas.
Si la colisión no derrite la materia nuclear en una sopa de quarks y gluones libres (QGP), entonces estos chorros excitados de partículas, o sus productos de desintegración, escapan libremente para ser detectados por los detectores del RHIC. Pero si la colisión crea un QGP, el quark o gluón sin espín, a pesar de su energía, queda atrapado en la interacción con los quarks y gluones que forman el plasma.
“Estas interacciones conducen a una pérdida de energía”, explicó el físico de Phoenix Gaber David, de la Universidad Stony Brook (SBU), uno de los líderes del nuevo análisis.
“Se puede considerar como la diferencia entre correr por el aire y correr por el agua”, dijo. QGP es como el agua. Ralentiza las partículas. Como resultado, los chorros llegan al detector con sólo una fracción de su energía original.
Para encontrar esta presión, los físicos primero deben estimar matemáticamente el número de partículas energéticas que se esperan de las partículas de oro, desde simples colisiones protón-protón hasta colisiones de iones pesados. Se calculará el número de protones y neutrones involucrados. como oro. Los valores calculados indican indirectamente si la colisión se produce en el punto muerto entre dos iones de oro o si se trata de una colisión reflejada en la que los iones se deslizan lateralmente en los bordes. Se espera que las colisiones centrales creen más chorros que los periféricos. Pero también es más probable que produzcan QGP más grandes y, por lo tanto, es más probable que supriman el chorro.
Este método funciona muy bien para Gold Gold Smashups.
“Esperábamos ver partículas o chorros 1.000 veces más energéticos en las colisiones más centrales entre oro y oro que en las colisiones entre protones”, dijo Akiba. “Pero sólo vimos alrededor de 200 veces más niveles de protón-protón, lo que es aproximadamente una quinta parte del número esperado. Eso es un factor de supresión de cinco”.
Esta es una clara señal de la supresión de los chorros que las colisiones entre oro y oro están generando en el QGP. También es consistente con otra firma clave de la formación de QGP en estas colisiones: a saber, patrones característicos de flujo de partículas debido a las propiedades hidrodinámicas de los plasmas “líquidos perfectos”.
Cuando los científicos de PHENIX observaron patrones de flujo hidrodinámico similares en pequeños sistemas en colisión, lo que indica que pueden existir pequeñas gotas de QGP, se propusieron buscar también la supresión de los chorros en estos eventos. Los resultados fueron sorprendentes: mientras que las colisiones más centrales de partículas similares a deuterones (un protón y un neutrón) con iones de oro mostraron signos de supresión de chorros, las colisiones más periféricas parecieron mostrar un aumento en los chorros energéticos.
“No hubo ninguna explicación de por qué debería ser así, absolutamente no”, dijo David.
Volviendo directamente a los fotones
Resulta que el sorprendente aumento fue un ejemplo de la forma indirecta en que los físicos determinaron la centralidad de las colisiones. Descubrieron esto probando un enfoque alternativo y más directo, como se describe en el nuevo artículo. En lugar de utilizar cálculos basados en un modelo geométrico para estimar el número de partículas atómicas (protones y neutrones) involucradas en la colisión, utilizaron mediciones directas de estas interacciones contando los llamados fotones “directos”.
Esto es posible porque así como una colisión RHIC puede liberar un quark o gluón energético, esta interacción también puede producir un fotón o partícula de luz de alta energía. Estos se producen en colisiones directas de fotones, así como en cantidades proporcionales de quarks y gluones libres.
Entonces, al contar el número de fotones directos que impactaron en sus detectores, los científicos de PHENIX pueden medir directamente la centralidad de la colisión y saber cuántos quarks o gluones energéticos se liberaron, es decir, cuántos aviones deberían esperarse.
“Cuanto más central es la colisión, mayor interacción puede haber entre los quarks y gluones de los deuterones más pequeños que chocan con los quarks y gluones de los protones y neutrones del ion de oro”, explicó Axel Drees del SBU. Análisis “Por lo tanto, los choques centrales producen más fotones directos y deberían producir partículas de chorro más energéticas que las colisiones”.
Pero a diferencia de los quarks y los gluones, los fotones no interactúan con el QGP.
“Si se crean fotones, escapan completamente del QGP sin pérdida de energía”, dijo Drees.
Por tanto, si no existe QGP, los fotones y las partículas energéticas deben encontrarse en cantidades proporcionales. Pero si el número de partículas energéticas del chorro encontradas en la colisión central es significativamente menor que el número de fotones directos de la misma energía, esto puede ser una señal de que existe un QGP para apagar los chorros.
Nivedita Ramasubramanian, entonces estudiante de posgrado asesorada por David, hizo el difícil trabajo de obtener señales de fotones directamente a partir de los datos de la colisión deuterón-oro de PHENIX. Cuando completó su análisis, el aumento previamente inexplicable de chorros que emergen de colisiones periféricas había desaparecido por completo. Pero todavía había un fuerte indicio de represión en el conflicto más central.
“La motivación inicial para realizar este complejo análisis fue simplemente comprender mejor la extraña mejora de los chorros energéticos en las colisiones periféricas, lo cual hicimos”, dijo Ramasubramaniam, uno de los coautores del artículo, que recibió su título de doctorado. – y un premio de tesis en la Reunión de Usuarios de RHIC y AGS de 2022 – por su contribución a este resultado. Ahora científico del Centro Nacional Francés de Investigación Científica, añadió: “El estrés que vimos en las colisiones más centrales fue completamente inesperado”.
“Cuando utilizamos fotones directamente como una medida precisa y exacta de la centralidad de la colisión, podemos ver sin ambigüedades la supresión (en las colisiones centrales)”, dijo Akiba.
“El nuevo método se basa enteramente en cantidades observables, evitando el uso de modelos teóricos”, señala David.
El siguiente paso será aplicar el mismo método a otros sistemas de colisión pequeños.
“Los análisis en curso de los datos de protón-oro y helio-3-oro de PHENIX con la misma técnica ayudarán a dilucidar aún más el origen de esta supresión para confirmar nuestra comprensión actual o proporcionar explicaciones contrapuestas”, dijo Drees.
Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias (NP) del DOE, la Fundación Nacional de Ciencias y una variedad de universidades y organizaciones estadounidenses e internacionales enumeradas en el artículo científico. El experimento PHENIX recopiló datos en RHIC de 2000 a 2016 y, como indica este artículo, su análisis de datos está en curso.
