STAR Highlights II: Study of Small Systems and the Search for New, Exotic Physics

Al een kwart eeuw lang hebben wetenschappers zware atomaire kernen tegen elkaar aan geslagen met bijna de snelheid van het licht om de omstandigheden te recreëren die bestonden slechts miljoenenste seconden na de oerknal. Deze extreme omgeving, gecreëerd binnen een massieve deeltjesversneller bekend als de Relativistic Heavy Ion Collider, is heet en dicht genoeg om de protonen en neutronen die het gewone materie vormen te doen smelten. Wanneer deze deeltjes smelten, vormen ze een nieuwe fase van materie genaamd een quark-gluonplasma, een soep van fundamentele deeltjes die stroomt met bijna geen wrijving. Door te bestuderen hoe dit plasma zich gedraagt, hopen onderzoekers de fundamentele krachten te begrijpen die het universum bij elkaar houden. Een cruciale vraag voor natuurkundigen is geweest om precies te bepalen hoe klein een botsing kan zijn voordat deze exotische, vloeistofachtige staat van materie ophoudt te vormen. Vereist het plasma een massieve botsing tussen twee zware goudatomen, of kan het ontstaan uit de veel kleinere botsing van een enkel proton met een zware kern?

Een recent rapport van de STAR-collaboratie, een onderzoeksgroep die een grote detector bij de versneller bedient, biedt een uitgebreid overzicht van vijfentwintig jaar aan gegevens om deze vragen te beantwoorden en andere mysteries van de subatomaire wereld te verkennen. Het team analyseerde botsingen waarbij tientallen verschillende combinaties van atomaire soorten betrokken waren, variërend van kleine protonen tot zware uraniumatomen, en over een breed scala aan energieniveaus. Hun werk bevestigt dat het kenmerk van dit hete, vloeibare plasma zelfs in zeer kleine botsingssystemen verschijnt, mits de omstandigheden juist zijn. Ze ontdekten ook nieuwe manieren om de interne structuur van atomaire kernen te meten en vonden bewijs voor exotische deeltjes die slechts een vluchtig moment bestaan voordat ze vervallen.

Een van de meest significante bevindingen heeft betrekking op de grootte van het systeem dat nodig is om dit plasma te creëren. Jarenlang debatteerden wetenschappers of het vloeistofachtige gedrag dat wordt gezien in grote botsingen een ware fase van materie was of slechts een verzameling onafhankelijke deeltjesinteracties. Het STAR-team onderzocht dit door zuurstofkernen met andere zuurstofkernen te laten botsen, een systeem dat veel kleiner is dan de goud-op-goud botsingen die in het verleden werden gebruikt. Ze zochten naar verschillende duidelijke tekenen dat een plasma was gevormd. Ze observeerden dat deeltjes met hoge energie werden afgeremd terwijl ze door het medium bewogen, een fenomeen dat bekend staat als jet quenching. Ze zagen ook dat de productie van bepaalde zware deeltjes werd onderdrukt, wat suggereert dat ze werden afgebroken door de intense hitte. Bovendien gaf de straling die door de botsing werd uitgezonden een temperatuur aan die consistent is met een heet plasma, en de productie van vreemde deeltjes nam toe op een manier die overeenkwam met voorspellingen voor een fluïdum. Wanneer ze deze zuurstofbotsingen vergeleken met botsingen waarbij deuterium werd gebruikt, een licht isotoop van waterstof, vonden ze dat het vloeistofgedrag afhankelijk was van de vorm en interne structuur van de botsende kernen, wat bevestigt dat het signaal afkomstig is van een collectieve reactie van de materie in plaats van toeval.

Buiten het plasma zelf gebruikten de onderzoekers deze botsingen om het vluchtige bestaan van onstabiele atomaire kernen te bestuderen. In botsingen met lage energie slaagden ze erin de productie van lithiumisotopen te meten die zo onstabiel zijn dat ze bijna onmiddellijk vervallen. Door te volgen hoe deze kortlevende deeltjes interactie hadden met de omringende dichte materie, kon het team theorieën testen over hoe atomaire kernen zijn opgebouwd uit kleinere stukjes. Ze vonden dat de korter levende deeltjes in lagere aantallen werden geproduceerd dan hun stabielere tegenhangers, een resultaat dat direct een reflectie is van de competitie tussen de vorming van deze kernen en hun vernietiging door de omringende omgeving. In een aparte zoektocht naar exotische materie zocht het team naar muonische atomen, zeldzame structuren waarbij een muon, een zware neef van het elektron, een hadron in een baan rond draait. Ze vonden een duidelijk signaal voor deze atomen in het botsingsafval, wat een nieuwe methode biedt om de productie van zachte muonen te bestuderen die anders onmogelijk direct te detecteren zijn.

De studie verdiepte zich ook in de spin, of intrinsieke rotatie, van deeltjes, een eigenschap die diepe geheimen over het kwantumvacuüm onthult. Het team mat de uitlijning van de spin van phi-mesonen, een type deeltje dat bestaat uit een vreemd quark en zijn antideeltje. Door de volledige tweedimensionale distributie van de deeltjes waar zij uit vervallen te analyseren, detecteerden ze een niet-nul signaal in de off-diagonal elementen van de spinmatrix. Dit geeft aan dat de spins van het quark en het antiquark op een specifieke manier gecorreleerd zijn. Om de oorsprong van deze correlatie te begrijpen, vergeleken ze het met metingen van lambda-antilambda paren in protonbotsingen, waar ze een sterke correlatie vonden die suggereert dat het kwantumvacuüm zijn structuur op de deeltjes imprinteert terwijl ze worden gecreëerd. Het team werkt nu aan het onderzoeken of deze correlatie standhoudt in het hete plasma van zware-ionenbotsingen, wat hen zal vertellen of de extreme hitte de structuur van het vacuüm doet smelten of dat deze standhoudt.

Ten slotte ontwikkelden de onderzoekers nieuwe manieren om de stroming van de materie die in deze botsingen wordt gecreëerd te meten. Ze onderzochten hoe de gemiddelde impuls van deeltjes fluctueert van de ene botsing naar de andere, wat onthult hoe de grootte van de initiële vuurball verandert. Deze metingen maakten het mogelijk om de geluidssnelheid binnen het quark-gluonplasma te schatten, een waarde die beschrijft hoe stijf of samendrukbaar het medium is. Hun resultaten suggereren dat de geluidssnelheid verandert met de temperatuur op een manier die overeenkomt met theoretische berekeningen uit lattice kwantumchromodynamica. Ze vonden ook dat de manier waarop deeltjes stromen afhangt van hun massa, waarbij zwaardere deeltjes meer impuls krijgen van het expanderende fluïdum, een patroon dat in alle verschillende botsingssystemen die ze bestudeerden standhoudt. Deze gedetailleerde mapping van de eigenschappen van het plasma biedt een duidelijker beeld van hoe het universum zich in zijn vroegste momenten gedroeg en legt de basis voor toekomstige ontdekkingen in de komende decennia.