user
Mitä menetelmiä käytetään kvark-gluoniplasman luomiseen ja havaitsemiseen korkean energian fysiikan kokeissa?
assistant
Kvark-gluoniplasman luominen:

Kvarkki-gluoniplasma (QGP) on aineen tila, jossa kvarkit ja gluonit, protonien ja neutronien peruskomponentit, eivät enää ole yksittäisten hiukkasten sisällä vaan liikkuvat vapaasti kuumassa ja tiheässä väliaineessa. Tämän äärimmäisen ainetilan luomiseksi korkea-energian fysiikan kokeissa käytetään seuraavia menetelmiä:

1. Raskaiden ionien törmäykset: Yleisin menetelmä QGP:n luomiseksi on törmäyttää raskaita ioneja, kuten kulta- tai lyijyytimiä, ultrarelativistisilla nopeuksilla. Näin tehdään hiukkaskiihdyttimissä, kuten Brookhavenin kansallisessa laboratoriossa sijaitsevassa Relativistic Heavy Ion Colliderissa (RHIC) ja CERNin suuressa hadronitörmäyttimessä (LHC). Näissä törmäyksissä syntyy erittäin korkeita lämpötiloja ja tiheyksiä, jolloin kvarkit ja gluonit voivat purkautua ja muodostaa QGP:n.

Kvark-gluoniplasman havaitseminen:

QGP:n havaitseminen on haastavaa, koska se on ohimenevä tila, joka on olemassa vain hyvin lyhyen aikaa ennen kuin se jäähtyy ja muuttuu takaisin tavalliseksi hadroniaineeksi. Kuitenkin voidaan havaita useita kokeellisia merkkejä, jotka viittaavat QGP:n muodostumiseen:

1. Suihkun vaimeneminen: Kun korkeaenerginen kvarkki tai gluoni kulkee QGP:n läpi, se menettää energiaa vuorovaikutusten vuoksi väliaineen kanssa. Tämä energianhäviö, jota kutsutaan suihkun sammutukseksi, johtaa suurten momenttien hiukkasten vaimenemiseen törmäyksen lopputilassa. Vertaamalla havaittuja hiukkastuottoja teoreettisiin ennusteisiin tutkijat voivat päätellä QGP:n olemassaolon.

2. Elliptinen virtaus: Raskasionitörmäyksissä syntyvien hiukkasten alueellinen jakautuminen voi antaa tietoa QGP:n ominaisuuksista. Ei-keskeisissä törmäyksissä törmäävien ytimien alkuperäinen päällekkäisalue on mantelinmuotoinen, mikä johtaa anisotrooppiseen painegradienttiin. Tämä johtaa hiukkasten anisotrooppiseen virtaukseen, jota kutsutaan elliptiseksi virtaukseksi ja jota voidaan mitata kokeellisesti ja verrata teoreettisiin ennusteisiin QGP:n muodostumisesta.

3. Kvarkoniumin tukahduttaminen: Kvarkoniumtilat, kuten J/ψ ja Υ, ovat raskaan kvarkin ja sen antikvarkin sidostiloja. QGP:n läsnäolo voi johtaa näiden tilojen dissosiaatioon väriscreeningin vuoksi, mikä johtaa niiden tuotantotuoton suppressioon. Vertailemalla raskaiden ionien törmäyksissä havaittuja kvarkoniumtuotoksia protoni-protonitörmäyksissä havaittuihin tuottoihin tutkijat voivat päätellä QGP:n läsnäolon.

4. Outouden lisääminen: QGP:n läsnä ollessa outojen kvarkkien tuotannon odotetaan tehostuvan, koska energian saatavuus lisääntyy ja outojen ja ei-ulkomaisten kvarkkien massaero pienenee. Mittaamalla outojen hiukkasten, kuten kaonien, lambdojen ja phi-mesonien, tuottoa tutkijat voivat päätellä QGP:n läsnäolon.

5. Suora fotoni- ja dileptontuotanto: QGP voi emittoida fotoneja ja lepton-antileptonipareja (dileptoneja) suoraan ilman hadronisointia. Nämä suorat päästöt voivat antaa tietoa QGP:n lämpötilasta ja ominaisuuksista. Mittaamalla suorien fotonien ja dileptonien saantoja ja spektrejä tutkijat voivat päätellä QGP:n olemassaolon.