Nieuwe gegevens tonen aan dat lokale fluctuaties in de sterke kernkracht de spinoriëntatie kunnen beïnvloeden van deeltjes die phi-mesonen worden genoemd (gemaakt van twee quarks die bij elkaar worden gehouden door de uitwisseling van gluonen). Krediet: Brookhaven National Laboratory
Bevindingen kunnen wijzen op een voorheen onbekende invloed van de sterke kracht – en een manier om de lokale fluctuaties te meten.
Gezien de keuze uit drie verschillende « spin » -oriëntaties, bepaalde deeltjes die voortkomen uit botsingen bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), een atoombreker bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), lijken een voorkeur te hebben. Zoals beschreven in een artikel dat zojuist is gepubliceerd in Natuur door RHIC’s STAR-samenwerking onthullen de resultaten een voorkeur in globale spin-uitlijning van deeltjes die phi-mesonen worden genoemd. Conventionele mechanismen, zoals de magnetische veldsterkte of de werveling van de materie die wordt gegenereerd bij de deeltjesbotsingen, kunnen de gegevens niet verklaren. Maar een nieuw model dat lokale fluctuaties in de nucleaire sterke kracht omvat, kan dat wel.
“Het kan zijn dat de sterke krachtschommelingen de ontbrekende factor zijn. Eerder hadden we ons niet gerealiseerd dat de sterke kracht de spin van deeltjes op deze manier kan beïnvloeden”, zegt Aihong Tang, een STAR-natuurkundige in Brookhaven die betrokken was bij de analyse.
Deze verklaring is nog onderwerp van discussie en verdere verificatie is nodig, zeggen de STAR-natuurkundigen. Maar als het waar blijkt te zijn, “geven deze metingen ons een manier om te meten hoe groot de lokale fluctuaties in de sterke kracht zijn. Ze bieden een nieuwe manier om de sterke kracht vanuit een ander perspectief te bestuderen, ‘zei Tang.
Botsingen van zware ionen « smelten » de grenzen van individuele protonen en neutronen, waardoor de quarks en gluonen die normaal binnenin opgesloten zitten, vrijkomen om een quark-gluonplasma (QGP) te creëren. Wetenschappers zoeken naar voorkeuren voor spin-uitlijning tussen deeltjes die uit de QGP komen door de verdeling van hun vervalproducten te volgen ten opzichte van een denkbeeldige lijn die loodrecht op het reactievlak van de botsende kernen wordt getrokken. Krediet: Brookhaven National Laboratory
Ontgrendelen van de sterke kracht
Zoals de naam al aangeeft, is de sterke kracht de sterkste van de vier fundamentele krachten in de natuur. Het is wat de bouwstenen van atomen bij elkaar houdt – de protonen en neutronen waaruit atoomkernen bestaan, evenals hun innerlijke bouwstenen, quarks en gluonen.
RHIC, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit voor kernfysisch onderzoek, is grotendeels gebouwd zodat wetenschappers deze kracht kunnen bestuderen. Ze doen dit door de kernen van zware atomen tegen elkaar te slaan die met bijna de snelheid van het licht in tegengestelde richting rond de dubbele versnellerringen van RHIC snellen. De frontale botsingen « smelten » de grenzen van individuele protonen en neutronen, waardoor de quarks en gluonen die normaal binnenin zijn opgesloten vrijkomen om een quark-gluon te creëren plasma (QGP). STAR maakt snapshots en verzamelt gedetailleerde gegevens over deeltjes die uit deze smashups tevoorschijn komen, zodat wetenschappers kunnen leren hoe de quarks en gluonen op elkaar inwerken.
Het volgen van paren van positief en negatief geladen kaonen (K+, K-) – de vervalproducten van phi-mesonen (Φ) – onthulde dat deze mesonen een voorkeur lijken te hebben voor één van de drie mogelijke spintoestanden. Een nieuw theoretisch model suggereert dat lokale fluctuaties in de sterke kernkracht deze voorkeur kunnen verklaren. Krediet: Brookhaven National Laboratory
Spin-uitlijningen ontcijferen
Eerdere metingen van STAR onthulden dat wanneer goudkernen enigszins excentrisch botsen, de vluchtige impact de hete soep van quarks en gluonen doet draaien. Wetenschappers hebben de « werveling » van het wervelende quark-gluonplasma gemeten door de invloed ervan op de spins van bepaalde deeltjes die uit de botsingen voortkomen, te volgen.
Je kunt spin zien als vergelijkbaar met de rotatie van een planeet zoals de aarde, met noord- en zuidpolen. Voor de deeltjes in deze eerdere studie (lambda-hyperons) is de mate waarin hun spin-assen zijn uitgelijnd met het impulsmoment dat wordt gegenereerd bij elke niet-gecentreerde botsing een directe proxy voor het meten van de swirliness van de QGP.
Meer recente STAR-analyses probeerden de spin-uitlijning van verschillende soorten deeltjes te meten, waaronder de phi en de K *0 mesonen gerapporteerd in de stroom Natuur papier. Voor deze deeltjes zijn er niet slechts twee richtingsoriëntaties voor spin (“noord” en “zuid”), maar drie mogelijke oriëntaties.
Net als in de vorige studie hebben de STAR-natuurkundigen de spinuitlijning van deze deeltjes gemeten door de verdeling van hun vervalproducten te volgen ten opzichte van de richting loodrecht op het reactievlak van de botsende kernen. Voor de phi en K*0 mesonen, vertalen de wetenschappers die metingen in een waarschijnlijkheid dat het ouderdeeltje zich in een van de drie spintoestanden bevond.
« Als de waarschijnlijkheid van elk van deze drie toestanden gelijk is aan een derde, dan betekent dat dat het deeltje geen voorkeur heeft om zich in een van deze drie spin-uitlijningstoestanden te bevinden », legt STAR-natuurkundige Xu Sun uit, een voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de universiteit. uit Illinois in Chicago, die onlangs als stafwetenschapper toetrad tot het Institute of Modern Physics, China.
Dat is in wezen wat de wetenschappers vonden voor de K*0 deeltjes – geen voorkeur. Maar voor de phi-mesonen was er een sterk signaal dat de ene staat de voorkeur had boven de andere twee.
« Op de een of andere manier heeft de natuur besloten dat de phi-mesonen een voorkeur hebben bij het kiezen van een van die staten, » zei Sun.
Uitleg over de voorkeur
Chensheng Zhou – die sinds 2016 met Tang aan deze metingen heeft gewerkt, te beginnen toen hij een afgestudeerde student was aan de Fudan University in China – presenteerde de voorlopige bevindingen op een conferentie aan de Stony Brook University in 2017. Die presentatie zette theoretici ertoe aan verschillende pogingen te ondernemen om verklaar de bevindingen met conventionele mechanismen, waaronder vorticiteit, het magnetische veld, fragmentatie en andere. De nieuwsgierigheid bleef groeien toen STAR-medewerker Subhash Singha van het Institute of Modern Physics het resultaat besprak op conferenties in 2019 (toen hij postdoc was aan de Kent State University) en 2022.
Ondertussen controleerden de STAR-natuurkundigen hun analyses, voerden nieuwe analyses uit en verminderden de onzekerheid van hun resultaten.
« Onze resultaten hebben dit onderzoek doorstaan, en nog steeds kloppen de cijfers niet », zei Tang. Het beschrijven van de globale spin-uitlijning van het phi-meson met alleen de conventionele mechanismen zou resulteren in een waarde die lager is dan wat de wetenschappers bij STAR hebben gemeten.
Theoretici kwamen onlangs op het idee dat lokale fluctuaties in de sterke kracht binnen het quark-gluon-plasma de schijnbare spin-uitlijningsvoorkeur van de phi-mesonen zouden kunnen sturen. De verschillende quarkcomponenten van de phi en K* begrijpen0 mesonen kunnen helpen om uit te leggen hoe dit gebeurt – en een manier bieden om verdere tests uit te voeren.
Xin-Nian Wang, een theoreticus aan het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE, legde uit dat elk phi-meson is gemaakt van een quark en antiquark van dezelfde « smaak » -familie (vreemd en anti-vreemd). Sterke-krachteffecten hebben de neiging om deze deeltjes met dezelfde smaak in dezelfde richting op te tellen en te beïnvloeden.
K*0 mesonen daarentegen zijn gemaakt van quark-antiquark-paren van verschillende smaken (down en anti-strange). « Met deze mix van smaken wijst de sterke kracht in verschillende richtingen, dus zijn invloed zou niet zo sterk naar voren komen als in de phi meson, » zei Wang.
Om dit idee te testen, zijn de natuurkundigen van STAR van plan de globale spin-uitlijning te bestuderen van een ander meson gemaakt van quarks met dezelfde smaakfamilie – het J / psi-deeltje (gemaakt van charm- en anti-charm-quarks).
« Dit staat op de takenlijst van STAR voor de RHIC-runs van 2023 en 2025 », zei Sun.
Het vinden van een globale voorkeur voor spin-uitlijning voor J/psi-deeltjes zou ondersteuning bieden voor de sterke-krachtverklaring. Het zou ook de benadering valideren om de globale spin-uitlijning van deze deeltjes te gebruiken als een manier om lokale sterke krachtfluctuaties in de QGP te bestuderen.
« Zelfs na meer dan 22 jaar actief te zijn geweest, blijft RHIC ons begrip van de natuur aanscherpen door ons te verrassen met nieuwe ontdekkingen », zei Tang.
Referentie: « Patroon van wereldwijde spinuitlijning van f- en K*0-mesonen bij botsingen met zware ionen » 18 januari 2023, Natuur.
DOI: 10.1038/s41586-022-05557-5
Andere bijdragen aan de analyses die tot deze resultaten hebben geleid, zijn: Jinhui Chen (Fudan University), Declan Keane (Kent State University) en Yugang Ma (Fudan University).
Dit onderzoek werd gefinancierd door het DOE Office of Science (NP), de Amerikaanse National Science Foundation en een reeks internationale organisaties en agentschappen die in het wetenschappelijke artikel worden vermeld. Het STAR-team gebruikte computerbronnen van het Scientific Data and Computing Center in Brookhaven Lab, het National Energy Research Scientific Computing Centre (NERSC) van het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE en het Open Science Grid-consortium.
