Kolejny krok w rozumieniu plazmy kwarkowo-gluonowej
Detektor STAR, fot. Brookhaven National Laboratory
Publikacja w Nature Communications
Plazma kwarkowo-gluonowa (QGP) to stan materii, w którym podstawowe składniki, kwarki i gluony, występują w warunkach ekstremalnej temperatury i gęstości. Uważa się, że taki stan istniał we wczesnym Wszechświecie i może pojawiać się w niektórych zjawiskach kosmicznych. Właściwości termodynamiczne i hydrodynamiczne QGP opisuje Chromodynamika Kwantowa (QCD), a ich badania prowadzi się w zderzeniach ciężkich jonów.
W najnowszej analizie przeprowadzonej przy użyciu danych z Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) zmierzono temperaturę QGP na podstawie produkcji termalnych par leptonowych (e⁺e⁻). Pary te stanowią idealną sondę temperatury źródła, ponieważ nie ulegają silnym oddziaływaniom końcowym ani efektom przesunięcia niebieskiego wynikającym z ekspansji ośrodka.
Uzyskana średnia temperatura w niskim zakresie mas (zdominowanym przez wewnątrzśrodowiskowy mezon ρ⁰) wynosi (2,01 ± 0,23) × 10¹² K, co jest zgodne z temperaturą zamarzania chemicznego i przewidywaniami obliczeń sieciowych QCD. W zakresie mas pośrednich (zdominowanym przez emisję z QGP) temperatura jest znacznie wyższa i wynosi (3,25 ± 0,60) × 10¹² K.
Wyniki te stanowią istotny krok w eksperymentalnym wyznaczaniu parametrów termodynamicznych materii silnie oddziałującej oraz w mapowaniu diagramu fazowego QCD. Pozwoli to na poznanie własności plazmy kwarkowo-gluonowej poprzez wyznaczenie parametrów transportowych i badania dynamiki ewolucji zderzenia ciężkich jonów.
Diagram ilustruje właściwości materii w zależności od potencjału chemicznego barionów (odpowiadającego gęstości netto liczby barionowej) oraz temperatury, z zaznaczonymi charakterystycznymi obszarami odpowiadającymi zwykłym jądrom atomowym, gwiazdom neutronowym oraz przejściu fazowemu do plazmy kwarkowo-gluonowej (QGP). Zderzenie ciężkich jonów prowadzi do wytworzenia QGP przy wysokim potencjale chemicznym barionów i wysokiej temperaturze, krótko po początkowym zderzeniu. Układ następnie ewoluuje wzdłuż czerwonej strzałki w kierunku granicy fazowej i hadronizacji. Rysunek przedstawia widmo par dileptonowych, w którym zakres niskich mas odpowiada emisji dominującej w fazie przejścia, natomiast zakres mas pośrednich — emisji z fazy QGP.
Publikacja powstała przy współpracy Kolaboracji STAR. Autorzy z Politechniki Warszawskiej zaangażowani w powstawanie tej pracy to: prof. Daniel Kikoła, mgr inż. Jędrzej Kołaś, dr inż. Diana Pawłowska-Szymańska, prof. Jan Pluta, mgr Priyanka Roy Chowdhury, dr inż. Daniel Wielanek i prof. Hanna Zbroszczyk.
oprac.: prof. Hanna Zbroszczyk
