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认识到夸克胶子等离子体在低能量时关闭的明显迹象

2023-02-28 18:30:01 生活
导读 物理学家报告了新的证据表明,相对论重离子对撞机(RHIC)的金原子核碰撞中产生奇异的物质状态 - 美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的原

物理学家报告了新的证据表明,相对论重离子对撞机(RHIC)的金原子核碰撞中产生奇异的物质状态 - 美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的原子粉碎机 - 可以通过降低碰撞能量来“关闭”。“关闭”信号在描述这些碰撞中产生的质子分布的“高阶”特征的数据中显示为符号变化 - 从负到正

这项发现刚刚由RHIC的STAR合作发表在物理评论快报上,将帮助物理学家绘制出被称为夸克 - 胶子等离子体(QGP)的奇异物质可以存在的温度和密度条件,并确定核物质阶段的关键特征。

“释放”夸克和胶子

生成和研究QGP一直是RHIC研究的核心目标。自2000年对撞机开始运行以来,广泛的测量表明,原子核最有能量的粉碎 - 在200亿电子伏特(GeV) - “熔化”质子和中子的边界,在短暂的瞬间释放出构成普通核粒子的夸克和胶子。

各种测量表明,QGP存在于低至19.6 GeV。新的分析使用了RHIC的STAR探测器在RHIC光束能量扫描的第一阶段收集的数据,以系统地搜索夸克和胶子的这种热化状态的产生被关闭的能量。

“我们分析了10种碰撞能量 - 从200 GeV的质能中心,这是RHIC在两个金梁之间的最高碰撞能量,到3 GeV,其中一个金光束与静止的金目标碰撞,”印度国家科学教育与研究所(NISER)的学生Ashish Pandav说,现在驻扎在美国能源部的劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)。“这些数据为我们提供了迄今为止最广泛的核相图覆盖范围 - 核物质如何随温度和密度变化的地图。

为了确定是否在每个碰撞能量下产生了QGP,科学家们研究了每次碰撞事件中产生的质子的分布。

系统分析

“我们逐个事件地测量了质子的数量减去产生的反质子数量,以及净质子产生的分布,”NISER的物理学教授Bedangadas Mohanty说。Mohanty和STAR团队分析了分布的各种特征的数据,包括平均值,方差,数据的偏斜程度等等,直到所谓的5阶和6阶特征。

然后,他们将他们的观察结果与使用量子色动力学(QCD)方程计算的预测进行了比较,量子色动力学方程描述了夸克和胶子相互作用的理论,在离散时空晶格上模拟。

“QCD的这些数值模拟内置了热夸克 - 胶子等离子体的形成,因此如果数据与预测相匹配,则证明QGP存在,”Mohanty说。

分层排序

QCD计算预测了净质子分布特征的分层顺序,并且这些特征之间的某些关系都应该具有负值。STAR数据表明,除了最低的碰撞能量外,这些热力学模式通常仍然存在。

“我们知道在200 GeV时,RHIC碰撞会产生QGP,但是下一个能量,62.4 GeV,54.4 GeV,39,27,19.6呢?”LBNL的物理学家,STAR的前发言人Nu Xu说。“在所有这些能量下,我们发现了预测的层次结构和负值 - 这意味着这些能量的数据都与热化的QGP一致。

在19.6 GeV以下,数据继续与预测相匹配,尽管指示这些测量的不确定性范围的误差条很大。

“对于这些能量,我们需要更多的数据,”徐说。

但在最低能量3 GeV下,科学家们看到了巨大的转变。所分析特征之间的层次结构顺序发生了翻转,关键关系的符号也发生了翻转,从负到正。

“这个符号的变化是一个强有力的迹象,得到了第一性原理计算的支持,夸克 - 胶子等离子体的形成在RHIC的最低碰撞能量下被关闭,”徐说。

数学中的确定性

科学家们的确定性是由这样一个事实驱动的,即他们使用的比较来自QGP的纯数学描述,而不是基于夸克 - 胶子相互作用近似的模型。他们将这种“第一性原理”方法比作求解经典物理学最简单的方程,如牛顿定律(力=质量x加速度)或理解速度对行进距离的影响(速率x时间=距离)。

“在这种情况下,它使用QCD解决夸克和胶子的相互作用,QCD具有更复杂的方程,”Mohanty说。

这项工作需要强大的计算机,包括布鲁克海文实验室的RHIC和ATLAS计算设施(RACF),LBNL的国家能源研究科学计算中心(NERSC)以及开放科学网格联盟。

“这些计算资源和晶格QCD——一种在4D时空晶格上考虑夸克-胶子相互作用的方程求解的方法——使我们对QCD中守恒电荷分布的高阶特征的行为进行精确预测的能力有了很大的进步,”前布鲁克海文实验室理论家Frithjof Karsch说,现在在德国比勒费尔德大学, 他与人合著了一篇关于QCD预测的论文。

“看到第一性原理计算的这些预测被RHIC的实验数据所证实,这令人兴奋。

科学家们希望通过分析RHIC的光束能量扫描II(BES II)的数据,进一步加强他们对他们的发现和寻找QGP关闭点的信心。这些数据将缩小所有结果的不确定性,特别是对于低于19.6 GeV的能量。

“从热化系统中,我们看到从200 GeV到62 GeV一直到19.6的平滑模式。然后我们看到在20到3 GeV之间'颠簸',“徐说。

早期对净质子产量波动的分析表明,颠簸可能表明温度和压力的特定组合,其中QGP由普通核物质形成的方式发生变化。这些结果和BES II数据的添加将有助于缩小对所谓临界点的搜索范围。

“这都是相关的,”徐说。

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