Tirando fuori le firme delle particelle che decadono a pochi decimi di millimetro dal centro di una palla di fuoco di trilioni di gradi che imita l'universo primordiale, i fisici nucleari che distruggono gli atomi al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) stanno rivelando nuovi dettagli sulle particelle fondamentali che compongono il nostro mondo.

Le collisioni di particelle al RHIC, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) situata presso il Brookhaven National Laboratory del DOE, ricreano regolarmente minuscole particelle di plasma di quark e gluoni (QGP), una miscela di quark e gluoni, i mattoni fondamentali della materia visibile, che esistevano per l'ultima volta come particelle libere circa 14 miliardi di anni fa. Le collisioni liberano i quark e i gluoni dal loro confinamento all'interno di particelle ordinarie (es. protoni e neutroni) in modo che i fisici nucleari possano studiare le loro interazioni e la forza che li tiene insieme nell'universo di oggi.

Le nuove misure, descritto in un articolo appena pubblicato su Lettere di revisione fisica , sono i primi a venire da un aggiornamento di precisione al rivelatore STAR di RHIC noto come "Heavy Flavor Tracker" (HFT). Nello specifico, il documento fornisce dettagli sulla prima misurazione diretta al RHIC di come un tipo di particella pesante contenente un quark "fascino" viene catturato nel flusso della palla di fuoco in espansione. Questa misurazione, una testimonianza delle capacità dell'HFT, offre agli scienziati una nuova finestra sulla comprensione delle interazioni delle particelle che compongono la zuppa subatomica.

"Confrontando le nostre misurazioni con le previsioni teoriche che includono i vari parametri che giocano un ruolo in queste interazioni - cose come il coefficiente di diffusione (quanto velocemente i quark charm si diffondono nel plasma) e la viscosità (quanto è appiccicoso il QGP) - possiamo imparare su come queste diverse proprietà si relazionano tra loro, e infine perché il QGP si comporta in questo modo, " ha detto il fisico di Brookhaven Flemming Videbaek, il project manager responsabile della fabbricazione complessiva dello STAR HFT.

Tracciamento preciso delle particelle

Le particelle contenenti quark pesanti sono considerate sonde ideali per comprendere il plasma di quark-gluoni perché possono interagire in modo diverso con il plasma rispetto ai quark leggeri, offrendo sottili indizi sulle sue proprietà. Ma il QGP sputa solo raramente particelle contenenti quark pesanti, tra migliaia di altre particelle costituite dalle varietà più leggere di quark. Le poche particelle pesanti che emergono decadono quasi istantaneamente in altre particelle, a poche frazioni di millimetro dalla palla di fuoco QGP in cui sono state create. Questa rarità e il rapido decadimento rendono le particelle pesanti difficili da rilevare.

HFT di STAR, un dispositivo di localizzazione all'avanguardia ora posizionato al centro del rilevatore delle dimensioni di una casa, è stato progettato per tracciare le sfuggenti ma importanti particelle pesanti. Sviluppato dai fisici nucleari del Lawrence Berkeley National Laboratory, l'HFT è il primo rilevatore di silicio in un collisore che utilizza la tecnologia del sensore di pixel attivo monolitico, la stessa tecnologia utilizzata nelle fotocamere digitali. I sensori ultrasottili, a differenza di molti dei componenti di rilevamento delle particelle di STAR, si trovano molto vicino al fascio di luce centrale in cui avvengono le collisioni. Sebbene non sia abbastanza vicino da rilevare lo stesso quark charm pesante, questa posizione e l'alta risoluzione del rivelatore (360 milioni di pixel di 20 x 20 micron ciascuno) gli consentono di rilevare i segni del decadimento delle particelle pesanti.

Per questo particolare studio, I fisici STAR stavano seguendo particelle chiamate kaoni e pioni che emergono quando le particelle contenenti quark charm note come D-zero decadono. Uno sforzo concertato di molti gruppi della collaborazione, inclusi ricercatori del Brookhaven National Laboratory, Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley, Kent State University, e l'Università dell'Illinois a Chicago, hanno reso questa analisi un successo in breve tempo.

"Usiamo l'HFT per cercare kaoni e pioni che sono molto vicini l'uno all'altro, entro frazioni di millimetro l'uno dall'altro, i cui percorsi dalla collisione emergono da un singolo punto lontano dal vertice di collisione, ma non molto lontano, circa 100-500 micron, " Disse Videbaek. Questa è la distanza percorsa dai D0 prima di decadere, Lui ha spiegato. Se il kaone e il pione hanno la massa giusta e le traiettorie che emergono da un tale punto, gli scienziati possono concludere che hanno avuto origine da un D0 in quel punto e utilizzare queste misurazioni per tracciare l'emergere di D0 da tutto il QGP.

"La precisione della nostra misurazione è senza precedenti, " disse Xin Dong, un fisico al Berkeley Lab che ha guidato i postdoc e gli studenti conducendo l'analisi fisica sui risultati del sapore pesante. "È stato estremamente impegnativo a causa dell'interferenza di migliaia di altre particelle prodotte nelle stesse collisioni di ioni pesanti, un po' come estrarre un ago da un pagliaio".

Interazioni a flusso libero

I risultati, basati su un'analisi di decine di migliaia di tali "aghi" in 1,1 miliardi di collisioni, sono stati in qualche modo sorprendenti.

Pensa alla forma creata quando due ioni d'oro sferici si scontrano fuori centro formando una sovrapposizione oblunga, qualcosa come un pallone da calcio in piedi. I fisici STAR hanno trovato più D0 che emergono dalla parte grassa del "calcio" che dalle sue estremità appuntite. Questo modello di "flusso ellittico" era familiare dalle misurazioni di particelle più leggere che emergono dal QGP. Ma i fisici nucleari inizialmente non si aspettavano che particelle così pesanti venissero intrappolate nel flusso.

"I D0 vengono creati nella primissima parte della collisione, quando i quark e i gluoni sono liberi, " Ha detto Videbaek. "I fisici non pensavano che queste particelle di quark pesanti avrebbero avuto il tempo di interagire, o equilibrare, con il QGP, che esiste solo per una frazione di secondo infinitamente piccola."

Anziché, il fatto che i quark pesanti mostrino lo stesso flusso ellittico delle particelle più leggere è la prova che sono in equilibrio, interagendo con i quark e i gluoni liberi nella QGP.

"Il tipo di flusso che abbiamo osservato per le particelle con quark pesanti suggerisce che le loro interazioni all'interno del plasma di quark e gluoni sono così forti che i quark pesanti stessi diventano parte della zuppa di quark e gluoni, '", ha detto Dong.

Grazyna Odyniec, capo del programma relativistico sulle collisioni nucleari del Berkeley Lab, aggiunto, "La scoperta del flusso ellittico di un quark charm molto massiccio è di fondamentale importanza per la nostra comprensione della dinamica di fase del plasma quark-gluoni. Apre un'ampia gamma di speculazioni teoriche sulla natura di un possibile meccanismo (o meccanismi) alla base di questo osservazione."

Il fisico del Brookhaven Lab e portavoce della collaborazione STAR Zhangbu Xu ha osservato che la capacità di tracciare il flusso e la diffusione delle particelle pesanti offre ai fisici nucleari un nuovo modo di "vedere" e studiare le interazioni dei quark e dei gluoni in movimento libero e altre proprietà del QGP — in qualche modo analogo al modo in cui gli scienziati del secolo scorso hanno monitorato le vibrazioni dei grani di polline nell'acqua per conoscerne le proprietà.

"Einstein ha dimostrato nel 1905 che esistono atomi e molecole, e che potremmo usare il cosiddetto moto browniano dei grani di polline per misurare le proprietà del fluido e altre costanti fisiche fondamentali, " disse Xu. "Ora possiamo usare i quark charm come i grani di polline per misurare il flusso e altre proprietà del QGP."