Gli scienziati che studiano le collisioni di particelle al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) hanno rivelato come alcuni getti di particelle perdono energia mentre attraversano la forma unica di materia nucleare creata in queste collisioni. I risultati, pubblicati in Physical Review C , dovrebbe aiutarli a conoscere le "proprietà di trasporto" chiave di questa zuppa di particelle calde, nota come plasma di quark e gluoni (QGP).

"Osservando come i getti di particelle rallentano mentre si muovono attraverso il QGP, possiamo conoscere le sue proprietà allo stesso modo in cui studiando come gli oggetti si muovono attraverso l'acqua può dirti qualcosa sulla sua densità e viscosità", ha affermato Raghav Kunnawalkam Elayavalli, un post-dottorato borsista presso la Yale University e membro della collaborazione sull'esperimento STAR di RHIC.

Ma ci sono molti modi in cui un jet può perdere energia o essere "spento". Quindi, può essere difficile dire quale di queste cause stia creando l'effetto estinguente.

Con le nuove scoperte, per la prima volta, STAR ha identificato una specifica popolazione di getti per i quali i fisici affermano di poter identificare distintamente il meccanismo:singoli quark che emettono gluoni mentre interagiscono con il QGP.

I teorici possono ora utilizzare i dati per perfezionare i loro calcoli descrivendo le proprietà fondamentali della zuppa calda di quark.

"I jet sono molto utili perché ti dicono come questi quark interagiscono con se stessi", ha detto Kolja Kauder, un altro autore principale dell'analisi, che è un fisico presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, dove si trova RHIC. "Questa è l'essenza della 'cromodinamica quantistica', la teoria che descrive le interazioni della forza nucleare forte di quark e gluoni. Stiamo imparando di più su questa forza fondamentale della natura studiando come questi getti vengono spenti."

All'inizio

La forza forte gioca un ruolo importante nella costruzione della struttura di tutto ciò che vediamo nell'universo oggi. Questo perché tutta la materia visibile è composta da atomi con al centro protoni e neutroni. Queste particelle, a loro volta, sono costituite da quark, che sono tenuti insieme dallo scambio di forti particelle portatrici di forza, i gluoni collanti.

Ma i quark non erano sempre legati insieme. Gli scienziati ritengono che quark e gluoni vagassero liberi molto presto nell'universo, appena un microsecondo dopo il Big Bang, prima che la zuppa primordiale dei mattoni fondamentali della materia si raffreddasse abbastanza da permettere la formazione di protoni e neutroni. RHIC, una struttura utente dell'Ufficio per la scienza del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per la ricerca di fisica nucleare, è stata costruita per ricreare e studiare questo plasma di quark-gluoni.

RHIC ricrea la zuppa di quark dell'universo primordiale guidando i nuclei di atomi pesanti come l'oro in collisioni frontali quasi alla velocità della luce. L'energia rilasciata crea migliaia di nuove particelle subatomiche, inclusi i quark (ricordate che l'energia può creare massa e viceversa attraverso la famosa equazione E=mc ² ). Inoltre "fonde" i confini dei singoli protoni e neutroni per liberare i quark interni e i gluoni.

Gli scienziati hanno monitorato il modo in cui diversi tipi di particelle fluiscono attraverso il plasma di quark-gluoni risultante per più di due decenni. Questi includono spray collimati, o getti, di particelle che risultano dalla frammentazione di un quark o di un gluone. Gli scienziati hanno generalmente scoperto che le particelle e i getti ad alto slancio perdono energia quando attraversano il blob di QGP caldo. Attraverso questo nuovo studio hanno identificato i dettagli di un meccanismo specifico per l'estinzione dei getti in un sottoinsieme di getti.

Tracciamento dei 'dijets' da diverse angolazioni

Questo studio si è concentrato in particolare sui getti di particelle prodotti back-to-back (chiamati dijets), dove un getto vicino alla superficie del blob QGP fuoriesce facilmente con molta energia, mentre il getto di rinculo che percorre un percorso più lungo nella direzione opposta ottiene estinto dal plasma. I fisici di STAR hanno tracciato l'energia delle particelle che compongono il "cono" del getto di rinculo. Il confronto con l'energia del getto scappato (o "grilletto") indica loro quanta energia è stata persa.

Hanno anche suddiviso tutti gli eventi in quelli che hanno prodotto getti relativamente stretti e quelli che hanno prodotto uno spruzzo di particelle più ampio.

"La nostra intuizione ci dice che qualcosa di più ampio che si muove attraverso il mezzo dovrebbe perdere più energia", ha detto Kunnawalkam Elayavalli. "Se il getto è stretto, può in qualche modo penetrare e ti aspetteresti una minore perdita di energia rispetto a un getto più ampio, che vede più plasma. Questa era l'aspettativa."

Pensa a un grande nuotatore che si muove nell'acqua in modo non aerodinamico, ha suggerito. Ti aspetteresti di vedere una scia più ampia allontanarsi dalla persona rispetto alla scia di un nuotatore snello e snello. Nel caso delle particelle, i fisici si aspettavano che la più ampia "scia" prodotta da getti più ampi spingesse le particelle fuori dai limiti della loro rilevazione.

"Ma quello che abbiamo scoperto è che, con questo particolare sottoinsieme di getti che abbiamo studiato al RHIC, non importa quale sia l'angolo di apertura del getto; perdono tutti energia allo stesso modo."

Sia per i getti stretti che per quelli ampi, sommare l'energia di tutte le particelle ad alta e bassa quantità di moto all'interno del "cono" potrebbe spiegare tutta l'energia "persa" per l'estinzione. Cioè, mentre questi getti hanno subito una perdita di energia, sia nei getti larghi che in quelli stretti, l'energia persa è stata convertita in particelle di quantità di moto inferiore che sono rimaste all'interno del cono del getto.

"Quando i getti perdono energia, quell'energia persa viene convertita in particelle a minore quantità di moto. Non puoi semplicemente perdere energia; deve essere conservata", ha detto Kauder di Brookhaven. La sorpresa è stata che tutta l'energia è rimasta all'interno del cono.

Le implicazioni

I risultati hanno importanti implicazioni per capire quando avviene l'estinzione per questi getti.

"Non vedere una differenza tra i getti larghi e stretti significa che il meccanismo di perdita di energia è indipendente dalla sottostruttura del getto. La perdita di energia deve essere avvenuta prima che i getti si dividessero, prima che ci fosse un angolo di apertura, stretto o largo", Kunnawalkam disse Elayavalli.

La sequenza più probabile di eventi:"Probabilmente un singolo quark che attraversa il plasma ha irradiato gluoni (ceduto energia) mentre interagiva con altri quark nel QGP, quindi si è diviso per produrre la sottostruttura del getto. I gluoni si trasformano in altre particelle di quantità di moto inferiore che rimani all'interno del cono e quelle sono le particelle che misuriamo", ha detto.

Se la perdita di energia si verificasse dopo la scissione del getto, ogni particella che compone la sottostruttura del getto avrebbe perso energia, con una maggiore probabilità che le particelle si diffondessero oltre il cono del getto, in altre parole, formando una "scia" oltre l'area in cui i fisici potrebbe misurarli.

Conoscere il meccanismo specifico della perdita di energia per questi getti aiuterà i teorici a perfezionare i loro calcoli su come la perdita di energia sia correlata alle proprietà di trasporto QGP, proprietà che sono in qualche modo analoghe alla viscosità e alla densità dell'acqua. Fornirà inoltre ai fisici un modo per comprendere meglio le interazioni fondamentali della forza forte tra i quark.

"Ottenere una comprensione quantitativa delle proprietà di questo plasma è fondamentale per studiare l'evoluzione dell'universo primordiale", ha detto Kunnawalkam Elayavalli, "incluso come quella zuppa primordiale di particelle è diventata i protoni e i neutroni dei nuclei degli atomi che compongono il nostro mondo oggi.

"Questa misurazione avvia essenzialmente la prossima era della fisica dei jet al RHIC, che ci consentirà di studiare in modo differenziale l'evoluzione spazio-temporale del QGP". + Esplora ulteriormente

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