Un estudio revela cómo algunas partículas de alta energía

detector de estrellas

imagen: Los científicos utilizaron el detector STAR en el Relative Heavy Ion Collider (RHIC), que se muestra aquí, para rastrear cómo ciertos chorros de partículas pierden energía en el plasma de quarks-gluones (QGP) que surgen cuando los núcleos de oro chocan en el centro del detector.
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Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven

Upton, Nueva York – Los científicos que estudian las colisiones de partículas en el Relative Heavy Ion Collider (RHIC) han revelado cómo algunas partículas de chorro pierden su energía a medida que atraviesan la forma única de la materia nuclear generada por estas colisiones. Los resultados se publican en revisión física cdebería ayudarlos a aprender sobre las «propiedades de transporte» clave de esta sopa de partículas calientes, conocida como plasma de quarks-gluones (QGP).

«Al observar cómo los chorros de partículas se ralentizan a medida que se mueven a través del QGP, podemos aprender sobre sus propiedades de la misma manera que estudiar cómo se mueven los objetos a través del agua puede decir algo sobre su densidad y viscosidad», dijo el postdoctorado Raghav Kunnawalkam Elayavalli. . Fellow en la Universidad de Yale y miembro de STAR Experiment Collaboration en RHIC.

Pero hay varias formas en las que un avión puede perder potencia, o «freírse». Por lo tanto, puede ser difícil saber cuál de estos causa el efecto de enfriamiento.

Con los nuevos hallazgos, STAR ha identificado, por primera vez, un conjunto específico de chorros para los cuales los físicos dicen que pueden determinar el mecanismo: los quarks individuales que emiten gluones cuando interactúan con el QGP.

Los teóricos ahora pueden usar los datos para mejorar sus cálculos y describir las propiedades básicas de la sopa de quark caliente.

«Los chorros son muy útiles porque te dicen cómo interactúan estos quarks entre sí», dijo Kolja Kauder, otro autor principal del análisis, físico del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU., donde se encuentra el RHIC. Esta es la esencia de la ‘cromodinámica cuántica’, la teoría que describe las interacciones de fuerzas nucleares fuertes de Quarks y gluones. Estamos aprendiendo más sobre esa fuerza fundamental de la naturaleza al estudiar cómo apagar estos chorros».

en principio

La poderosa fuerza juega un papel importante en la construcción de la estructura de todo lo que vemos hoy en el universo. Eso es porque toda la materia visible está formada por átomos con protones y neutrones en su núcleo. Estas partículas, a su vez, están formadas por quarks que se unen mediante el intercambio de partículas portadoras de fuerza fuerte, gluones similares a gluones.

Pero los quarks no siempre estuvieron conectados entre sí. Los científicos creen que los quarks y los gluones vagaron libremente muy temprano en el universo, solo una fracción de segundo después del Big Bang, antes de que los componentes básicos de la materia se enfriaran lo suficiente como para formar protones y neutrones. RHIC, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. para la investigación de física nuclear, se creó para recrear y estudiar plasmas de quarks y gluones.

RHIC recrea la sopa de quarks en el universo primitivo guiando núcleos de átomos pesados ​​como el oro en colisiones cabeza a cabeza a casi la velocidad de la luz. La energía liberada crea miles de nuevas partículas subatómicas, incluidos los quarks (recuerda que la energía puede crear masa y viceversa con la famosa ecuación E = mc2). También «derrite» los límites de protones y neutrones individuales para liberar quarks y gluones internos.

Los científicos han estado rastreando cómo los diferentes tipos de partículas fluyen a través del plasma de quarks-gluones resultante durante más de dos décadas. Estos incluyen aerosoles de colimador, o chorros, de partículas producidas por la fragmentación de un quark o gluón. Los científicos generalmente encontraron que las partículas y los chorros de mayor impulso pierden energía cuando cruzan el punto de acceso QGP. Con este nuevo estudio, identifican un mecanismo específico para la refrigeración por chorro en un subconjunto de aeronaves.

Sigue las «dietas» desde diferentes ángulos

Este estudio se centró específicamente en chorros de partículas que se producen en sucesión (llamados dijets), en los que un solo chorro cerca de la superficie del punto QGP escapa fácilmente con mucha energía, mientras que el chorro de retroceso recorre un camino más largo en el sentido opuesto. la dirección se apaga con plasma. Los físicos estelares han rastreado la energía de las partículas que forman el «cono» del chorro de retroceso. Comparar eso con la energía del vuelo (o «disparador») les dice cuánta energía se pierde.

También dividieron todos los eventos en aquellos que produjeron chorros relativamente estrechos y aquellos que produjeron un rocío más amplio de partículas.

“Nuestra intuición nos dice que algo más ancho que se mueve a través del medio debería perder más energía”, dijo Kunnnawalkam Elayavalli. «Si el plano es angosto, puede penetrar y esperar menos pérdida de energía que el plano más ancho, que ve más plasma. Esa era la expectativa».

Sugiera pensar en un gran nadador moviéndose en el agua de una manera no aerodinámica. Uno esperaría ver una estela más ancha alejándose de la persona que los tacones de un nadador flaco y aerodinámico. En el caso de las partículas, los físicos esperaban que la «estela» más amplia producida por los chorros más anchos empujara a las partículas más allá de los límites de su detección.

«Pero lo que encontramos es que con este subconjunto específico de chorros que estudiamos en RHIC, no importa cuál sea el ángulo de apertura del chorro, todos pierden energía de la misma manera».

Tanto para chorros angostos como anchos, la energía de todo el alto momento y Partículas de bajo impulso En el interior del «cono» se puede dar cuenta de toda la energía «perdida» para el enfriamiento. Es decir, aunque estos chorros experimentaron una pérdida de energía, tanto en el chorro ancho como en el estrecho, la energía perdida se convirtió en menos partículas de momento que permanecieron dentro del cono del chorro.

«Cuando los chorros pierden energía, esa energía perdida se convierte en partículas con bajo impulso. No se puede simplemente perder energía”, dijo Koder de Brookhaven. La sorpresa fue que toda la energía se quedó dentro del cono.

Arqueología

Los hallazgos tienen implicaciones importantes para la comprensión cuando El enfriamiento les sucede a estos aviones.

«La falta de diferencia entre jets anchos y estrechos significa que el mecanismo de pérdida de energía es independiente de la infraestructura de la aeronave. La pérdida de energía debe haber ocurrido Antes Los chorros se dividieron, antes de que hubiera un ángulo de apertura, estrecho o ancho”, dijo Konwalkam Eliavali.

La secuencia de eventos más probable: “Es posible que un quark atraviese gluones radiactivos de plasma (liberando energía) al interactuar con otros quarks en el QGP, y entonces Dividido para producir infraestructura de chorro. Los gluones se convierten en otras partículas de bajo impulso que permanecen dentro del cono, y estas son las partículas que medimos”.

Si se produce una pérdida de energía despues, despues En la división del chorro, cada partícula que forma la subestructura del chorro perdería su energía, con una mayor probabilidad de que las partículas se propagaran más allá del cono del chorro; en otras palabras, formarían una «estela» fuera de la región donde los físicos pueden medirlas.

Conocer el mecanismo específico de las pérdidas de energía de estos chorros ayudará a los teóricos a mejorar sus cálculos de cómo la pérdida de energía se relaciona con las propiedades de transporte de QGP, propiedades algo similares a la viscosidad y la densidad del agua. También les daría a los físicos una forma de comprender más acerca de las fuertes interacciones de fuerzas fundamentales entre los quarks.

“Obtener una comprensión cuantitativa de las propiedades de este plasma es fundamental para estudiar la evolución del universo primitivo”, dijo Kunnawalkam Elayavalli, incluida la forma en que la sopa de partículas primordial se convirtió en los protones y neutrones de los núcleos atómicos que conforman nuestro mundo actual.

«Esta medida esencialmente inicia la próxima era de la física de chorro en RHIC, lo que nos permitirá estudiar diferencialmente la evolución del espacio-tiempo en el QGP».

Raghav Kunnawalkam Elayavalli comenzó este análisis como becario postdoctoral en la Wayne State University trabajando con Couder (quien luego dejó Wayne State para unirse a Brookhaven) y el físico de Wayne State Yorn Bochsky, otro autor principal del análisis. Completó el análisis durante su puesto actual en Yale/Brookhaven Lab con la física de la Universidad de Yale Helen Kaines y el físico de Brookhaven Lab Lijuan Ruan, co-portavoces de STAR Collaboration, y comenzará el reclutamiento de profesores en Vanderbilt este verano.

Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (NP), que también apoya las operaciones de RHIC, y por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y un grupo de agencias internacionales descritas en el artículo científico. La colaboración STAR usó recursos informáticos en el Centro de Cómputo RHIC & ATLAS en el Laboratorio Brookhaven; Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de Energía (NERSC), una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; y el Consorcio Open Science Grid.

El Laboratorio Nacional de Brookhaven cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y trabaja para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para más información visite ciencia.energia.gov.

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