Вчені створили нову модель кварк-глюонної плазми, яка була на зорі Всесвіту. Вона пояснює розбіжності між теорією і реальністю.
Загадковий стан матерії
Крім відомих станів матерії (тверде, рідке і т.д.) є і кварк-глюонна плазма (КГП), агрегатний стан речовини у фізиці високих енергій і елементарних частинок. При ньому адронна речовина переходить в стан, аналогічний тому, в якому електрони і іони знаходяться в звичайній плазмі. До цього стану речовина є глазмою, а потім — адронним газом. Поки КГП не виявлено експериментально, кварк-глюонна плазма була лише фізичної гіпотезою.
Глазма — один зі станів матерії: стан адронного поля, попереднє при зіткненнях в прискорювальних експериментах кварк-глюонної плазмі.
Перехід від Великого вибуху до КГП і матерії. Фото: Тетсуфумі Хірано з Софійського університету, Японія
Нещодавно дослідники виявили, що вона — складова частина раннього Всесвіту і існувала через мікросекунду після Великого вибуху. По суті, цей суп з кварків і глюонів з часом охолоджувався, утворюючи будівельні блоки всієї матерії. І вчені давно намагаються більше дізнатися про неї.
Як вивчали кварк-глюоону плазму?
Один зі способів відтворити екстремальні умови, що переважали при існуванні КГП, — це зіштовхнути релятивістські важкі іони. Для цього є такі прискорювачі часток, як Великий адронний коллайдер (ВАК) і Релятивістський коллайдер важких іонів. Фізикам вдалося більше дізнатися про КГП саме завдяки експериментальним даними про ці зіткнення. Також вчені використовували багатоступінчасті релятивістські гідродинамічні моделі, щоб зрозуміти, чому КГП поводиться майже як ідеальна рідина.
В чому проблема?
Однак між моделями і даними в області малих поперечних імпульсів досі залишилися істотні розбіжності. Традиційна і гібридна моделі не пояснили виходи частинок, які спостерігаються в експериментах.
Саме тому дослідники з Японії на чолі з фізиком-теоретиком професором Тетсуфумі Хірано з Софійського університету провели дослідження, щоб пояснити відсутні виходи частинок в релятивістських гідродинамічних моделях. Вчені запропонували нову структуру динамічної ініціалізації ядро-корона (dynamic core-corona initialization, DCCI2), щоб всебічно описати високоенергетичні ядерні зіткнення.
Динамічна ініціалізація — це процес, в якому значення ініціалізації невідомо під час компіляції. Його можна обчислити тільки під час виконання для ініціалізації змінної.
Нова теорія
Ось як це працює. Частинки, що генеруються під час ядерних зіткнень високої енергії, описують з використанням двох компонентів: ядро (врівноважена речовина) і корона (неврівноважена речовина). Такий метод дозволив фізикам вивчити внесок компонентів ядра і корони в утворення адронів в області з низьким поперечним імпульсом, Пояснюють автори дослідження.
Що зробили вчені?
В рамках нового експерименту вони провели моделювання зіткнень важких іонів Pb-Pb (свинець) на програмі комп’ютерного моделювання PYTHIA при енергії 2,76 ТеВ, щоб перевірити структуру DCCI2.
Електронвольт — позасистемна одиниця енергії, яка використовується в атомній і ядерній фізиці, у фізиці елементарних частинок і в близьких і споріднених галузях науки. Тераелектронвольт (ТеВ) — 1 трлн електронвольт. Останнє покоління прискорювачів елементарних частинок дозволяє досягти декількох трильйонів електронвольт (тераелектронвольт, ТеВ). Один ТеВ приблизно дорівнює (кінетичної) енергії комара, що летить. Один гігаелектронвольт (ГеВ) — 1 млрд електронвольт.
Динамічна ініціалізація флюїдів КГП дозволила розділити компоненти ядра і корони, які піддалися адронізації перемикання гіперповерхності і фрагментації струни відповідно. Потім ці адрони розпалися і вчені отримали спектри поперечного імпульсу (p T).
Зображення уламків, що залишилися після створення кварк-глюонної плазми при зіткненні двох ядер в Брукхейвенської національної лабораторії. Зображення надано Брукхейвенською національною лабораторією
Потім фізики досліджували частку компонентів ядра і корони в спектрах p T заряджених півоній, заряджених каонів, А також протонів і антипротонів для зіткнень при 2,76 ТеВ. Після вони порівняли ці спектри з тими, які отримали з експериментальних даних (від детектора ALICE на БАК для зіткнень Pb-Pb при 2,76 ТеВ), щоб кількісно оцінити внесок компонентів корони. Нарешті, вони досліджували вплив її компонентів на змінні потоки.
Що виявили фізики?
В результаті експерименту фізики виявили відносне збільшення вкладу корони в спектральній області приблизно 1 ГеВ. Хоча це було вірно для всіх адронів, вчені зафіксували майже 50% внесок корони в народження частинок в спектрах протонів і антипротонів в області дуже низьких p T.
Крім того, результати повного моделювання DCCI2 показали кращий збіг з експериментальними даними ALICE в порівнянні з порівнянням тільки компонентів ядра з адронним розсіюванням (без урахування компонентів корони). Вчені виявили, що внесок корони відповідає за розведення чотиричастичних кумулянтів (спостережуваний потік), отриманих виключно з вкладів ядра, що вказує на більшу кількість перестановок частинок з внеском корони.