Сравнение теории данных показывает, что легкие частицы могут создавать потоки жидкости.

Новый вычислительный анализ, проведенный теоретиками из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Государственного университета Уэйна, подтверждает идею о том, что фотоны (также известные как легкие частицы), сталкиваясь с тяжелыми ионами, могут создавать «высоко взаимодействующие» жидкости частиц. В статье, недавно опубликованной в Письмо о физическом осмотреони показали, что расчеты, описывающие такую ​​систему, совпадают с данными, собранными детекторами ATLAS на Большом адронном коллайдере (LHC) в Европе.

Как поясняется в документе, расчеты основаны на гидродинамическом потоке частиц, наблюдаемом при прямом столкновении различных типов ионов на БАК и Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США. Ядерная физика Исследования в Брукхейвенской лаборатории. С небольшими изменениями этот отчет также объясняет схема течения Видел в промахе, где фото который образует облако вокруг ускоряющегося иона, сталкивающегося с ионом встречного пучка.

Суть в том, чтобы использовать ту же структуру, которую мы используем для описания ЛидерствоВполне возможно, что в этих столкновениях фотонов и ионов мы создаем плотную, сильно взаимодействующую плотную микросреду, которая хорошо описывается гидродинамикой — точно так же, как это происходит в более крупных системах», — сказал Бьорн Шенк, теоретик из Брукхейвенской лаборатории. соавтор на бумаге. “

жидкая подпись

Наблюдение за движением частиц по-разному является ключевым доказательством того, что более крупные системы столкновений (столкновения свинец-протон-свинец на LHC; столкновения золото-золото-протон-золото на RHIC) создают почти идеальные жидкости. Структура потока приписывается огромному градиенту давления, вызванному большим количеством высокореакционноспособных частиц, генерируемых интерференцией сталкивающихся ионов.

«Сжимая вместе эти высокоэнергетические ядра, мы создаем такие высокие плотности энергии — сжимая кинетическую энергию этих людей в крошечном пространстве — что эти вещи по существу ведут себя как жидкости», — сказал Шенке.

сферические частицы (в т.ч. протон и ядро) ожидается, что прямые столкновения создадут равномерный градиент давления. Но частично перекрывающиеся столкновения создают удлиненный миндалевидный градиент давления, который отталкивает больше высокоэнергетических частиц вдоль короткой оси, чем перпендикулярно ей.

Этот «эллиптический поток» был одним из первых указаний на то, что сталкивающиеся частицы в RHIC могут образовывать кварк-глюонную плазму, или QGP — горячий суп из строительных блоков, из которых состоят протоны и нейтроны в ядрах/ионах. Сначала ученые были удивлены жидкоподобным поведением QGP. Но позже они установили эллиптический поток как определяющую черту КГП и свидетельство того, что кварки и глюоны по-прежнему сильно взаимодействуют, даже когда они не ограничены отдельными протонами и нейтронами. Последующие наблюдения подобных структур потока при столкновениях протонов с интересующими большими ядрами позволяют предположить, что эти системы протонно-ядерных столкновений также могут создавать небольшие участки кварк-глюонного супа.

«Наша новая работа направлена ​​на то, чтобы продвинуть это еще дальше, рассматривая столкновения между фотонами и ядрами», — сказал Шенке.

Сменить оболочку

Давно известно, что супрамолекулярные столкновения могут создавать взаимодействия фотонов и ядер, используя сами ядра в качестве источников фотонов. Это связано с тем, что заряженные частицы, ускоренные до высоких энергий, такие как ускоренные ядра/ионы свинца на LHC (и ионы золота на RHIC), излучают электромагнитные волны – легкие частицы. Поэтому любые ускоренные ионы свинца на БАК по существу окружены облаком фотонов.

«Когда два из этих ионов проходят рядом, не сталкиваясь, вы можете представить, что один из них испускает фотон, а затем ион свинца сталкивается с другим», — сказал Шенк. «Этот инцидент случался так часто; ионам легче просто промахнуться, чем столкнуться друг с другом».

Атлас Ученый Недавно опубликованные данные на интересном сигнале, напоминающем поток столкновений фотонных ядер.

«Нам пришлось настроить специальные методы сбора данных, чтобы зафиксировать эти уникальные столкновения», — сказал Блэр Зейдлиц, физик из Колумбийского университета, который помог создать операционную систему анализа ATLAS, будучи аспирантом Университета Колорадо в Боулдере. . «После сбора достаточного количества данных мы были удивлены, обнаружив потокообразный сигнал, похожий на сигнал, наблюдаемый при столкновении протонов свинца, хотя и немного меньший».

Шенке и его сотрудники решили проверить, могут ли их теоретические расчеты точно описать характер потока частиц.

Они использовали те же гидродинамические расчеты, которые описывают поведение образующихся частиц в системе столкновений свинец-свинец-протон-свинец. Но они внесли некоторые коррективы, чтобы учесть «оболочку», столкнувшуюся с основным ядром, которая превращается из протонов в фотоны.

По законам физики (в частности, квантовой электродинамики) фотон может совершить квантовую флуктуацию в другую частицу с таким же квантовым числом. Ро-мезоны, частицы, состоящие из особой комбинации кварков и антикварков, удерживаемых вместе глюонами, являются одним из наиболее вероятных результатов этих фотонных флуктуаций.

Если вы вернетесь к протону, состоящему из трех кварков, то ро-частица, состоящая из двух кварков, — это всего лишь один шаг вниз по лестнице сложности.

«Вместо глюонов, распределенных вокруг трех кварков внутри протона, у нас есть два кварка (антикварка) с распределенными вокруг них глюонами, которые сталкиваются с ядром», — сказал Шенке.

представляет энергию

Расчеты также должны учитывать большие различия в энергии в этих системах фотон-ядерных столкновений по сравнению, в частности, с протон-свинцом и свинцом-свинцом.

«Фотон, испускаемый при ударе о олово, не будет нести весь импульс исходящего от него оловянного ядра, а лишь малую его часть. Таким образом, энергия удара будет намного меньше», — сказал Шенк.

Эта разница в энергии оказалась более существенной, чем смена оболочек.

В самых энергичных столкновениях тяжелых ионов свинец-золото-золото рисунок исходящих частиц сохраняется в поперечной плоскости встречных лучей, как бы далеко вы ни смотрели от точки удара вдоль линии лучей (в продольном направлении). . Но когда Шенк и его коллеги смоделировали ожидаемые структуры частиц, возникающие в результате столкновений низкоэнергетических фотонов свинца, стало ясно, что включение трехмерных деталей продольной ориентации имеет значение. Модель показывает, что геометрия распределения частиц быстро меняется с увеличением продольного расстояния; Частицы становятся «связанными между собой».

«Частицы видят разные градиенты давления в зависимости от их продольного положения», — объясняет Шенк.

«Поэтому для этих низкоэнергетических столкновений фотонов свинца важно запустить полную трехмерную гидродинамическую модель (которая требует больше вычислительных ресурсов), потому что распределение частиц меняется быстрее, когда они выходят в продольном направлении», — сказал он.

Когда теоретики сравнили свои предсказания, сделанные с использованием этой низкоэнергетической, полной трехмерной гидродинамической модели, с моделями потока частиц, наблюдаемыми при столкновениях фотонов свинца с помощью детектора ATLAS, данные и теория хорошо совпали, по крайней мере, для более выраженных эллиптических моделей потока. . – сказал Шенк.

Последствия и будущее

«Исходя из этих результатов, кажется правдоподобным, что даже при столкновении тяжелых фотонных ионов мы имеем высокореактивную жидкость, которая реагирует на первоначальную дозу. крушение Геометрия, описанная гидродинамикой, говорит Шенк. «Если энергия и температура будут достаточно высокими, сформируется кварк-глюонная плазма», — добавил он.

Зейдлиц, физик из ATLAS, комментирует: «Приятно видеть эти результаты, показывающие образование крошечных капель. кварк-глюонная плазма, а также как этот теоретический анализ дает конкретное объяснение того, почему сигнатура потока немного меньше при столкновениях фотонов свинца. “

Дополнительные данные, которые будут собраны с помощью ATLAS и других экспериментов на RHIC и LHC в течение следующих нескольких лет, позволят более детально проанализировать потоки частиц от фотонно-ядерных столкновений. Этот анализ поможет отличить гидродинамические расчеты от других возможных объяснений, где картина течения не является следствием реакции системы на исходную геометрию.

В долгосрочной перспективе эксперименты на электронно-ионном коллайдере (EIC), который планируется заменить RHIC в Брукхейвенской лаборатории в следующем десятилетии, могут дать более точные выводы.