Creație fără contact în coliziuni de nuclee de plumb și aur

Coliziunile semicentrale sau centrale ale nucleelor ​​de plumb la LHC produc quark-gluon plasmatic și un cocktail cu contribuții de la alte particule. În același timp, norii de fotoni care înconjoară nucleii se ciocnesc, rezultând în crearea de perechi lepton-antileptonă în plasmă și cocktail și în spațiul din jurul nucleelor. Credit: IFJ PAN

Când ionii grei, accelerați cu viteza luminii, se ciocnesc unul cu celălalt la adâncimile acceleratorilor europeni sau americani, quark-gluonul plasmă este format din fracțiuni de secundă sau chiar „cocktailul” său condimentat cu alte particule. Potrivit oamenilor de știință de la IFJ PAN, datele experimentale arată că există actori subestimați în scenă: fotoni. Coliziunile lor duc la emisia de particule aparent excesive, a căror prezență nu a putut fi explicată.

Plasma Quark-gluon este, fără îndoială, cea mai exotică stare de materie cunoscută de noi până acum. La LHC a CERN lângă Geneva, se formează în timpul coliziunilor centrale a doi ioni de plumb care se apropie unul de altul din direcții opuse, călătorind cu viteze foarte apropiate de cea a luminii. Această supă de quark-gluon este, de asemenea, uneori condimentată cu alte particule. Din păcate, descrierea teoretică a cursului evenimentelor legate de plasmă și a unui cocktail din alte surse nu descrie datele colectate în experimente.

Într-un articol publicat în Litere de fizică B, un grup de oameni de știință de la Institutul de Fizică Nucleară al Academiei Poloneze de Științe din Cracovia a explicat motivul discrepanțelor observate. Datele colectate în timpul coliziunilor cu miez de plumb la LHC, precum și în timpul coliziunilor cu miez de aur la RHIC de la Laboratorul Național Brookhaven de lângă New York, încep să se potrivească cu teoria atunci când descrierea proceselor ia în considerare coliziunile dintre fotonii care înconjoară ambii ioni interacționali .

„Cu puțină sare, ați putea spune că, cu energii suficient de mari, ionii masivi se ciocnesc nu numai cu protonii și neutronii lor, ci chiar cu norii lor de fotoni”, spune dr. Mariola Klusek-Gawenda (IFJ PAN) și clarifică imediat: „ Când am descris coliziunea ionilor în LHC, am luat deja în considerare coliziunile dintre fotoni. Cu toate acestea, acestea au fost doar coliziuni exterioare, în care ionii nu se ciocnesc între ei, ci trec unul lângă altul fără schimbări, interacționând doar cu propriile lor câmpuri electromagnetice. Nimeni nu credea că coliziile de fotoni ar putea juca un rol în interacțiunile violente în care protonii și neutronii se fuzionează într-o supă de quark-gluon. “

În condițiile cunoscute ale vieții de zi cu zi, fotonii nu se ciocnesc între ei. Cu toate acestea, când vine vorba de ioni masivi accelerați la aproape viteza luminii, situația se schimbă. Nucleul auriu conține 79 de protoni, nucleul plumb până la 82, astfel încât sarcina electrică a fiecărui ion este în mod corespunzător de multe ori mai mare decât sarcina elementară. Purtătorii interacțiunilor electromagnetice sunt fotoni, astfel încât fiecare ion poate fi tratat ca un obiect înconjurat de un nor de mulți fotoni. În plus, la RHIC și LHC, ionii se mișcă la viteze apropiate de cea a luminii. Drept urmare, din punctul de vedere al observatorului din laborator, atât ei, cât și norii lor de fotoni care le înconjoară arată ca niște pete extrem de subțiri, aplatizate în direcția mișcării. Cu fiecare pas al acestui panou proton-neutron, există o oscilație extrem de violentă a câmpurilor electrice și magnetice.

În electrodinamica cuantică, teoria utilizată pentru a descrie electromagnetismul cu privire la fenomenele cuantice, există o valoare critică maximă a câmpului electric, de ordinul a zece până la șaisprezece volți pe centimetru. Se aplică câmpurilor electrice statice. În cazul coliziunilor masive de nuclee atomice la RHIC sau LHC, avem de-a face cu câmpuri dinamice care apar doar pentru milionimi dintr-o miimi dintr-o miimi de secundă. Pentru o perioadă atât de scurtă de timp, câmpurile electrice din coliziunile ionice pot fi chiar de 100 de ori mai puternice decât valoarea critică.

„De fapt, câmpurile electrice ale ionilor care se ciocnesc la LHC sau RHIC sunt atât de puternice încât generează fotoni virtuali și se produc coliziunile lor. Ca urmare a acestor procese, perechile lepton-antileptonă se formează în diferite puncte din jurul ionilor în care înainte nu exista material. Particulele fiecărei perechi se îndepărtează una de cealaltă într-un mod caracteristic: de obicei în direcții opuse și aproape perpendiculare pe direcția inițială a mișcării ionilor ”, explică Dr. Wolfgang Schäfer (IFJ PAN) și subliniază că familia leptonului include electroni și cei mai masivi omologi ai lor: muoni și tauoni.

Interacțiunile fotonice și producția de perechi lepton-antileptone asociate acestora sunt cruciale în coliziunile periferice. Cu câțiva ani în urmă, fizicienii din Cracovia au descris coliziuni ca acestea. Spre surprinderea lor, au reușit acum să arate că aceleași fenomene joacă, de asemenea, un rol important în coliziunile directe ale nucleului, chiar și în centralele electrice. Datele colectate pentru nucleele de aur RHIC și nucleele de plumb la LHC arată că în timpul acestor coliziuni apar un număr de perechi „exces” electron-pozitron, care diverg relativ lent în direcții aproape perpendiculare pe grinzile ionilor. A fost posibil să-și explice existența tocmai numai luând în considerare producția de perechi lepton-antileptonă prin coliziunea fotonilor.

„Adevărata cireașă de pe tort a fost faptul că, completând instrumentele existente pentru descrierea coliziunilor masive de ioni cu formalismul nostru bazat pe așa-numita funcție de distribuție Wigner, am putea explica în cele din urmă prin faptul că detectoarele celor mai mari contemporane experimentele acceleratoare înregistrează acest tip de distribuții de leptoni și antileptoni care scapă de la locul coliziunilor nucleare (pentru o anumită centralitate a coliziunii). Înțelegerea noastră despre cele mai importante procese care au loc aici a devenit mai completă ”, conchide profesorul Antoni Szczurek (IFJ PAN).

Referință: „Dependența centralității producției de dileptone prin procesele γγ din distribuțiile fotonice Wigner în nuclee” de Mariola Klusek-Gawenda, Wolfgang Schäfer și Antoni Szczurek, 30 ianuarie 2021, Litere de fizică B.
DOI: 10.1016 / j.physletb.2021.136114

Lucrările la modelul Cracovia al coliziunilor foton-foton au fost finanțate de Centrul Național de Științe din Polonia. Modelul a trezit interesul fizicienilor care lucrează cu detectoarele ATLAS și ALICE ale LHC și va fi utilizat în viitoarea analiză experimentală a datelor.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.