Badania fizyki wysokich energii wykazały spadek współczynnika transportu strumienia wraz ze wzrostem temperatury w plazmie kwarkowo-gluonowej, wykorzystując dane z głównych zderzaczy. Odkrycie to pozwala lepiej zrozumieć zachowanie partonów we wczesnych warunkach wszechświata. Źródło: SciTechDaily.com
Nowe odkrycia pokazują, że utrata energii partonów w kwarku-gluonie osocze zmniejsza się wraz z temperaturą, dostarczając nowego wglądu w fizykę wczesnego wszechświata i procesy hartowania strumieniowego.
Naukowcy zajmujący się fizyką wysokich energii zidentyfikowali, w jaki sposób wysokoenergetyczne partony tracą energię w zderzeniach jądro-jądro, co jest zasadniczym procesem w badaniu plazmy kwarkowo-gluonowej (QGP). Odkrycie to może dostarczyć nowego wglądu w momenty wczesnego Wszechświata po Wielki Wybuch.
Relatywistyczne zderzenia ciężkich jonów powodują powstanie dużej gęstości partonów z silnymi oddziaływaniami w stanie końcowym i prowadzą do powstania plazmy kwarkowo-gluonowej (QGP). Dowody eksperymentalne przeprowadzone w Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów (RHIC) i Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) wskazują, że QGP jest układem silnie sprzężonym i można go dobrze opisać za pomocą relatywistycznej hydrodynamiki z zaskakująco małą lepkością właściwą przy ścinaniu. Kiedy wysokoenergetyczne partony propagują w ośrodku QGP o zdefinowanym kolorze, napotykają wielokrotne rozproszenia i tracą energię w wyniku indukowanego przez ośrodek promieniowania gluonowego. Siła utraty energii w strumieniu jest kontrolowana przez współczynnik transportu strumienia (q), który jest proporcjonalny do gęstości liczby gluonowej ośrodka i jest zdefiniowany jako średnie rozszerzenie pędu poprzecznego do kwadratu na jednostkę długości dla strumienia propagującego się w ośrodku. Fenomenologiczne wartości skalowanego bezwymiarowego q/T3 zostały wyodrębnione poprzez porównania modelu z danymi przy użyciu danych dotyczących supresji hadronów i wykazały dodatkową zależność od temperatury (T). Źródło: Han-Zhong Zhang
Zrozumienie wpływu temperatury na energię strumieniową
Badania pokazują, że współczynnik transportu strumienia w stosunku do sześcianu temperatury, krytyczny czynnik utraty energii partonów w QGP, maleje wraz ze wzrostem temperatury ośrodka. Odkrycie to, poparte znaczącym ulepszeniem parametru przepływu eliptycznego (v2(PT)) dla dużego pędu poprzecznego (PT) hadronów, zapewnia bardziej dogłębne zrozumienie wygaszania strumieni w zderzeniach wysokoenergetycznych.
Tłumienie i anizotropia azymutalna hadronów o wysokim pędzie poprzecznym (pT) są konsekwencjami wygaszania strumienia lub utraty energii. Siłę tłumienia określa współczynnik modyfikacji jądrowej RAA(pT) zdefiniowany jako stosunek wydajności produkcji pojedynczego hadronu w zderzeniach A + A do wydajności produkcji pojedynczych hadronów w zderzeniach p + p, skalowanej przez średnią funkcję nakładania się jąder. Anizotropia azymutalna hadronów o dużych pT, wynikająca z długości ścieżki i zależności od gęstości gluonowej utraty energii strumienia, charakteryzuje się eliptycznym współczynnikiem przepływu v2(pT). W perturbacyjnym modelu QCD następnego rzędu wiodącego zbadano zależność utraty energii strumienia od średniej temperatury, porównując obliczenia teoretyczne z danymi eksperymentalnymi zarówno dla RAA, jak i v2 przy dużym pT w RHIC i LHC. Źródło: Han-Zhong Zhang
Wgląd w charakterystykę plazmy kwarkowo-gluonowej
Zderzenia wysokoenergetyczne tworzą gorący, gęsty stan materii znany jako QGP. Gdy partony przechodzą przez to medium, tracą energię. Proces ten, znany jako hartowanie strumieniowe, prowadzi do tłumienia wysokiego poziomu PHadrony T, mierzone współczynnikiem modyfikacji jądrowej (RAA(PT)) i anizotropię azymutalną mierzoną za pomocą v2(PT).
Zakładając, że skalowany współczynnik transportu strumienia q/T3 zależy od temperatury ośrodka w postaci liniowej lub gaussowskiej, obliczono współczynnik modyfikacji jądrowej pojedynczego hadronu RAA(pT) i parametr przepływu eliptycznego v2(pT) i porównano z danymi eksperymentalnymi w celu ograniczenia tworzy się zależność temperaturowa q/T3. Wyniki liczbowe wskazują, że zarówno RAA(pT), jak i v2(pT) są bardziej wrażliwe na wartość q/T3 w pobliżu temperatury krytycznej (Tc) niż w pobliżu początkowej najwyższej temperatury (T0). Co więcej, tłumienie pojedynczego hadronu jest konsekwencją całkowitej utraty energii strumienia, podczas gdy parametr przepływu eliptycznego sprzyja większej utracie energii w pobliżu Tc. Źródło: Han-Zhong Zhang
Techniki analityczne w fizyce cząstek
Zespół wykorzystał perturbacyjny model partonów QCD następnego rzędu wiodącego do analizy danych z Relatywistycznego Zderzacza Ciężkich Jonów (RHIC) i Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC). Dopasowując swoje modele do danych eksperymentalnych, odkryli, że skalowana wartość współczynnika transportu strumienia (q^/T3) maleje wraz z temperaturą. To nowatorskie podejście zapewnia dokładniejszy opis utraty energii przez strumienie w tych ekstremalnych warunkach.
Ze względu na ewolucję średniej temperatury różne zależności T współczynnika transportu strumienia mogą skutkować identyczną całkowitą stratą energii, ale różnymi rozkładami strat energii podczas propagacji strumienia. W porównaniu ze stałym przypadkiem dla danej całkowitej utraty energii, liniowo malejąca zależność T q/T3 powoduje redystrybucję strat energii, co prowadzi do większej utraty energii w pobliżu temperatury krytycznej, a zatem do silniejszej anizotropii azymutalnej w produkcji hadronów. Na koniec wzięto pod uwagę również utratę energii strumienia w fazie hadronowej. Ze względu na przejście fazowe pierwszego rzędu w obecnym modelu udział fazy hadronowej występuje głównie w pobliżu Tc, co wzmacnia anizotropię azymutalną układu, a tym samym poprawia parametr przepływu eliptycznego. Źródło: Han-Zhong Zhang
Znaczenie ostatnich odkryć
„To odkrycie pomaga nam dokładniej zrozumieć zachowanie partonów w plazmie kwarkowo-gluonowej” – mówi prof. Han-Zhong Zhang, autor korespondencyjny. „Pokazuje, że partony tracą więcej energii w pobliżu temperatury krytycznej, co może wyjaśniać zwiększoną anizotropię azymutalną obserwowaną w zderzeniach wysokoenergetycznych”.
Odkrycia sugerują, że gdy partony przemieszczają się przez QGP, tracą więcej energii w pobliżu przejścia z QGP do fazy hadronowej, wzmacniając anizotropię azymutalną o około 10% w RHIC i LHC.
Numeryczny wynik silniejszego hartowania strumienia w obszarze bliskim Tc jest zgodny z wynikami z poprzedniego badania teoretycznego. W porównaniu z przypadkiem stałego q/T3, malejąca zależność T q/T3 powoduje, że strumień twardych partonów traci więcej energii w pobliżu temperatury krytycznej Tc, a zatem wzmacnia anizotropię azymutalną dla produkcji dużych hadronów pT. W rezultacie parametr przepływu eliptycznego v2(pT) dla dużych hadronów pT został zwiększony o około 10%, aby lepiej dopasować dane z RHIC/LHC. Biorąc pod uwagę przejście fazowe pierwszego rzędu z QGP do hadronu i udział fazy hadronów w utracie energii dżetu, v2(pT) ponownie wzrasta o 5-10% w RHIC/LHC. Źródło: Han-Zhong Zhang
Przyszłe kierunki w fizyce wysokich energii
„W przyszłości mamy nadzieję udoskonalić nasz model i wzbogacić informacje o qˆ, co umożliwi nam lepszy opis RAA(PT) i v2(PT) jednocześnie dla energii RHIC i LHC” – mówi prof. Zhang.
Badanie to stanowi postęp w fizyce jądrowej wysokich energii, zapewniając głębszy wgląd w utratę energii strumienia w zderzeniach wysokoenergetycznych. Odkrycia te mogą poszerzyć naszą wiedzę na temat plazmy kwarkowo-gluonowej i utorować drogę przyszłym badaniom nad podstawowymi właściwościami materii w ekstremalnych warunkach.
Załączone zdjęcie przedstawia autorów jako członków wspólnej grupy badawczej profesora EnKe Wanga z Instytutu Materii Kwantowej na South China Normal University i Instytutu Fizyki Cząstek na Central China Normal University. Grupa koncentruje się przede wszystkim na różnych aspektach fizyki cząstek elementarnych i fizyki jądrowej, ze szczególnym uwzględnieniem twardych sond plazmy kwarkowo-gluonowej w ekstremalnych warunkach. Źródło: Han-Zhong Zhang
Badanie to jest wspólnym wysiłkiem South China Normal University i Central China Normal University.
Odniesienie: „The średniotemperaturowa zależność współczynnika transportu strumienia w zderzeniach jądra o wysokiej energii” autorstwa Man Xie, Qing-Fei Han, En-Ke Wang, Ben-Wei Zhang i Han-Zhong Zhang, 16 lipca 2024 r., Nauka i techniki nuklearne. DOI: 10.1007/s41365-024-01492-4
