Científicos revelan cómo ciertos chorros de partículas pierden energía en el plasma de quarks-gluones

Los científicos que estudian las colisiones de partículas en el Relative Heavy Ion Collider (RHIC) han revelado cómo los chorros de ciertas partículas pierden energía a medida que atraviesan la forma única del material nuclear producido 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 las partículas a través del agua te dice algo sobre su densidad y viscosidad». dijo Raghav Kunnawalkam Elayavalli, becario postdoctoral en la Universidad de Yale y miembro del ensayo de colaboración STAR de RHIC.

Pero hay varias formas en que un avión puede perder potencia; o «apagado». 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 jets son muy útiles porque te dicen cómo interactúan estos quarks entre sí». Otro autor principal del análisis, Kolja Kauder, es físico en el 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 la fuerza nuclear fuerte de los quarks y los 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, consisten en quarks que se mantienen unidos por el intercambio de partículas fuertes -portadoras de fuerza-; pegar 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.

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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.

Seguimiento de los «dígitos» en 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 moviéndose a través del medio debería perder más energía.dijo Kunnawalkam Elayavalli. «Si el plano es angosto, puede penetrar y esperar menos pérdida de energía en comparación con un 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 el «despertar» más amplio producido por los chorros más anchos empujara a las partículas más allá de sus límites de detección.

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«Pero lo que encontramos es que, con este subconjunto particular 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 menor impulso. No puedes simplemente perder energía; tienes que conservarla». dijo Koder de Brookhaven. La sorpresa fue que toda la energía 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 de que los chorros se dividieran; Antes de que haya un ángulo de apertura, estrecho o ancho,dijo Kunnawalkam Elayavalli.

Secuencia de eventos más probable: «Es posible que un quark atraviese gluones radiactivos en el plasma (dando energía) al interactuar con otros quarks en el QGP, y luego se divida para producir la superestructura del chorro. Los gluones se convierten en otras partículas de bajo impulso que permanecen dentro del cono, y esas son las partículas que medimos», Él dijo.

Si se produce una pérdida de energía despues, despues En la división del chorro, cada partícula que forma la infraestructura 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 podrían medirlas.

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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 crucial para estudiar la evolución del universo primitivo.Kunnawalkam Elayavalli dijo:Incluyendo cómo esta sopa primordial de partículas 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 un diferencial de 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 del Laboratorio Brookhaven Lijuan Ruan, y 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.

fuente: https://www.energy.gov/science/office-science

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