Ters çevrilmiş kuantum girişimi, neredeyse ıskalanan nükleer karşılaşmalardan daha net gluon haritalarının kilidini açar

Göreceli Ağır İyon Çarpıştırıcısında (RHIC) parçacık çarpışmalarını inceleyen bilim insanları, genellikle atom çekirdekleri birbirine neredeyse ışık hızında çarptığında ne olduğunu yakalar. Ancak çekirdekler çarpışmasa bile ilginç şeyler meydana gelebilir. Yeni yayınlanan bir makalede Fiziksel İnceleme MektuplarıRHIC’in STAR işbirliğinin üyeleri, çekirdeğin içinde neler olup bittiğini incelemek için RHIC’de ramak kala çarpışmaları kullanmanın yeni bir yolunu anlatıyor. Bu yaklaşım, ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Bilim Ofisi’nin DOE’nin Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki kullanıcı tesisi olan RHIC’in erişimini, nükleer fiziğin bir sonraki sınırına, maddenin yapı taşlarının iç işleyişine doğru bir yolculuğa taşıyor.

Teknik, 2,4 mil (3,9 kilometre) RHIC yarış pistinde hızlanırken çekirdekleri çevreleyen, fotonlar olarak bilinen ışık parçacıklarına dayanıyor. Devasa bir X-ışını makinesinin ışını gibi davranan bir çekirdeğin etrafındaki fotonlar, çekirdeğin içindeki gluon adı verilen ve ters yönde hızla geçen parçacıklarla etkileşime girebilir. Bilim insanları, bu etkileşimlerin ürettiği sinyalleri takip ederek, çekirdeği bir arada tutan tutkal benzeri parçacıklar olan gluonların dağılımını haritalandırabilirler.

Kent State Üniversitesi’nden STAR işbirlikçisi ve bu çalışmayı doktora sonrası araştırmasının önemli bir bileşeni olarak yürüten Ashik Ikbal, “Bu, insanların dünyamızdaki gizli yapıları araştırmak için ışığı kullandığı birçok yöntemin bir uzantısıdır; kırık kemikleri görmek ve proteinlerin 3 boyutlu atomik yapılarını ortaya çıkarmak için X ışınlarını kullanmaktan, evrenin evrimini incelemek için kozmik mikrodalga arka planından sinyalleri yakalamaya kadar” dedi. “Bu durumda, atom çekirdeğindeki proton ve nötronların içindeki kuarkları bir arada tutan gluonları incelemek için atomlardan çok daha küçük bir ölçekte özelliklerin haritasını çıkarmak için ışığı kullanıyoruz.”

Nükleer fizikçiler gluonlarla özellikle ilgileniyorlar çünkü gluonların, evrenimizdeki neredeyse tüm görünür maddenin yapı taşları olan proton ve nötronların temel özelliklerinin belirlenmesinde çok büyük bir rol oynadığı görülüyor. Gluonların haritasını çıkarmak, Brookhaven Laboratuvarı’nda RHIC’in altyapısı ve bilimi üzerine inşa edilecek yeni bir nükleer fizik araştırma makinesi olan Elektron-İyon Çarpıştırıcısının (EIC) temel hedeflerinden biridir.

EIC’de elektronlar tarafından yayılan sanal fotonlar, bilim adamlarının protonlar ve çekirdekler içindeki gluon düzenlemelerini ve etkileşimlerini ortaya çıkarmak için kullandıkları “ışınları” sağlayacak. RHIC’den elde edilen bu yeni sonuçlar, bu görüntüleme tekniğinin bir ön izlemesini ve varsayımlarını test etmenin bir yolunu sunuyor.

Parçacıklar ve harita yapıları oluşturmak için ışığı kullanma

RHIC’deki bu görüntüleme tekniğinde kullanılan ışık parçacıkları yapay bir şeydir. Dairesel hızlandırıcının etrafında ışık hızına yakın bir hızla hareket eden pozitif yüklü iyonları çevreleyen bir elektromanyetik enerji bulutu olarak ortaya çıkarlar. Zıt yönlerde hareket eden iki iyon çarpışmadan birbirine çok yakın geçtiğinde, bu enerji “şok dalgaları” bazen birbirleriyle etkileşime girerek saf enerjiden yeni madde ve antimadde parçacıkları oluşturabilir.

Diğer zamanlarda fotonlar, çekirdek içindeki gluonlarla etkileşime girerek yeni parçacıklar oluşturur. Örneğin, daha önceki bir STAR makalesi, rho mezonlar olarak bilinen parçacıkları üreten foton-gluon etkileşimlerini izlemişti. STAR bilim insanları bu parçacıkları, rhos’un bozunduğu “kız kardeşler” olan zıt yüklü pion çiftlerini arayarak tespit ettiler. Bilim insanları, pionların hızını ve dedektöre çarptıkları açıları takip ederek, çekirdek içindeki gluon dağılımlarını haritalandırmak için bu kuantum dolaşmış parçacıklar tarafından üretilen girişim dalgalarını kullanabileceklerini öne sürdüler.

Ancak rho parçacıkları çok hızlı bozunduğundan, girişimin kaynağı hakkında, özellikle de bozunan “yavru” pionlardan mı yoksa rho “ebeveynlerinden” mi geldiği konusunda belirsizlik vardı. Ek olarak, biraz hafif olan rho parçacıkları, ayrıntılı gluon özelliklerini haritalayacak “odaklanma”dan yoksundur.

Girişim deseninin ters çevrilmesi

Bu yeni makale, aynı zamanda foton-gluon etkileşimlerinde de oluşturulan, J/psi parçacıkları olarak bilinen daha ağır mezonların kızlarını takip ederek önceki çalışmanın üzerine inşa edilmiştir.

STAR İşbirliği için yeni atanan sözcü yardımcılarından biri olan Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden (USTC) profesör Zebo Tang, “J/psi parçacıklarının daha ağır ama daha kompakt yapısı, görüntüleme çözünürlüğünü artırmalıdır” dedi. “J/psi parçacıkları ayrıca çürümeden önce rhos’tan daha uzun yaşarlar, bu da kendi girişim desenleri ile bozundukları parçacıkların (bu durumda elektronlar ve pozitronlar) arasındaki ayrılma için daha fazla zaman sağlar.”

En önemlisi, bu elektron ve pozitron kızları, rhos’un kızlarından farklı olarak spin adı verilen bir kuantum özelliğine sahiptir. Bu dönüş, bilim adamlarının rhos’u incelerken gördükleriyle karşılaştırıldığında parçacıkların girişim desenini tamamen “tersine çevirir”.

“Değişen tepe ve dip noktaları olan tekrar eden bir dalgayı düşünürseniz, rhos ve onların yavru pionları aslında tam olarak aynı desene sahip girişim dalgaları ürettiler; tepe noktaları tepe noktalarıyla, dipler dip noktalarıyla sıralanmıştı. Ancak J/psi bozunumlarının elektron ve pozitron yavrularını takip ettiğimizde, zıt deseni ürettiler; rhos’un, pion kızlarının ve hatta kendi J/psi ebeveynlerinin tersine. Düşük noktaların olduğu her yer, yüksek noktalar haline geldi ve ve Brookhaven Laboratuvarı/STAR ortak fizikçisi Prithwish Tribedy, “yüksek noktalar düşük noktalara dönüştü” dedi.

Bilim adamları, RHIC’de üç farklı iyon türü (altın, zirkonyum ve rutenyum) kullanılarak neredeyse ıskalanan çarpışmalardan elde edilen verilerde aynı ters modeli gördüler. Aslında, girişim deseni daha küçük çekirdeklerle daha da güçlendi; bu, girişimin bozunma kızları tarafından yönlendirilmesi durumunda teorisyenlerin tam olarak olacağını tahmin ettiği şeydi.

USTC’de doktora çalışmasının bir parçası olarak bu proje üzerinde çalışan bir öğrenci olan Kaiyang Wang, “Bu ters modeli görmek ve üç farklı tipte çekirdek kullanan çarpışmalardan elde edilen verilerdeki tahminlerle uyum sağlamak, bize girişimin gerçek kaynağının kızlar olduğuna dair güven veriyor” dedi. tez.

Özellikle heyecan verici olan ise bu ölçümün kuantum girişim etkisini doğrulamaktan daha fazlasını yapmasıdır. Bu, bilim adamlarının bu bilgiyi kullanmasına ve gluonların atom çekirdeğinde nasıl dağıldığını öğrenmek için biraz geriye doğru izleme yapmasına olanak tanıyor.

Gluonların haritasını çıkarmak

Rho veya J/psi bozunması durumunda bilim insanları, ana parçacıkları hakkında dönüş bilgisi çıkarmak için yavru parçacıkların dedektöre çarptığı momentum dağılımını ve açılarını kullanabilirler. Bu, J/psi için rho’ya göre daha kolaydır, ancak yöntem her iki parçacık için de işe yarar. Ana spin, onlara ilk foton-gluon etkileşimini tetikleyen fotonun spin hizalaması, çarpıştığı çekirdeğin yönelimi ve ana parçacığı oluşturan gluonun tam konumu hakkında bilgi verir. Bunu, gluonların atom altı ölçekte “coğrafi konumunu belirlemenin” süper yüksek teknolojili bir yolu olarak düşünebilirsiniz.

STAR işbirliğinin bir üyesi olan USTC profesörü Wangmei Zha, “Ana parçacıklar sonuçta çekirdeğin içini ‘görmek’ için kullandığımız şeylerdir, çünkü bunlar gluonun tetiklediği eyleme en yakın olanlardır, ancak kızların bize bu etkileşimlere doğrudan erişim sağladığını bilmek bu görüntülemeyi mümkün kılar” dedi.

Gluon görüntülemenin geleceği

RHIC ölçümleriyle karşılaştırma yapmak ve EIC’deki gelecekteki bilim programı için kullanılan teorik tahminlerin geliştirilmesine yardımcı olan Temple Üniversitesi’nden nükleer teorisyen Farid Salazar, “Bu tam olarak EIC’de kullanılan teknik olacak” dedi.

EIC’de fotonlar, iyonlarla etkileşime giren elektronlar tarafından yayılacak ve ölçümler esas olarak J/psi bozunumlarına dayanacak.

Öncelikle, J/psi bozunumu kızlarının dönüşleri, ebeveynlerin dönüş yönelimlerini çıkarmayı kolaylaştırır. Ayrıca kompakt boyutları onlara ayrıntıları daha ince ölçekte görme olanağı verir. Ayrıca matematiksel hesaplamalar yoluyla tanımlanması daha kolaydır. Bu, bilim adamlarının deneysel ölçümleri değerlendirirken kullandıkları teorik tahminleri türetmeyi çok daha kolay hale getiriyor; veriler, teorisyenlerin gluonların nasıl davranması beklendiğine dair tahminleriyle eşleşip eşleşmediğini görmek için.

Fizikçilerin EIC’de keşfetmeyi umduğu en önemli gizemlerden biri, bölünebilen ve yeniden birleşebilen gluonların, bu bölünme ve rekombinasyon süreçlerinin atom çekirdeğinde birbirini dengelediği bir “doygunluk” durumuna ulaşıp ulaşmadığıdır. Diğer STAR bulguları, gluon doygunluğunun kararlı durumuna ulaşmak için gerekli bir adım olan gluon rekombinasyonunun ipuçlarını zaten göstermiştir. Sanal fotonlar kullanan J/psi görüntüleme ile EIC, “renkli cam yoğunlaşması” olarak bilinen maddenin bu yeni durumuna dair kesin kanıtları ortaya çıkaran ilk kişi olabilir.

Tribedy, “RHIC operasyonları tamamlandı ve Brookhaven Laboratuvarı’ndaki hızlandırıcı altyapısını EIC’ye dönüştürme çalışmaları başlıyor, ancak önümüzdeki yıllarda RHIC verilerinin derin analizlerini yürüteceğiz” dedi. “Bu analizler şüphesiz çok daha fazla keşif üretecek ve ABM için teorik ve deneysel yaklaşımları geliştirmemize yardımcı olacak.”