Rozwiąż matematyczną zagadkę kwarków i gluonów w materii jądrowej

Elementami budulcowymi jądra atomowego są protony i neutrony, które same składają się z jeszcze bardziej fundamentalnych cząstek: kwarków i gluonów. Cząsteczki te oddziałują poprzez oddziaływanie silne, które jest jedną z czterech podstawowych sił przyrody. Tworzą jądro w sercu każdego atomu. Tworzą również formy gorącego lub gęstego materiału jądrowego o egzotycznych właściwościach.

Naukowcy badają właściwości gorącej i zimnej materii jądrowej w relatywistycznych eksperymentach zderzeń ciężkich jonów i będą kontynuować to badanie za pomocą zderzacza elektronowo-jonowego w przyszłości. Ostatecznym celem jest zrozumienie, w jaki sposób złożone kształty materii wyłaniają się z cząstek elementarnych, na które działają silne siły.

Obliczenia teoretyczne z udziałem siły silnej są złożone. Jeden aspekt tej złożoności wynika z faktu, że istnieje wiele sposobów wykonywania tych obliczeń. Naukowcy nazywają niektóre z tych wyborów skalami. Wszystkie opcje miary muszą dawać ten sam wynik przy obliczaniu dowolnej wielkości, którą można zmierzyć w eksperymencie. Jednak jeden konkretny wybór, zwany skalą przestawną, od lat intryguje naukowców ze względu na trudności w uzyskaniu spójnych wyników przy dokonywaniu tego wyboru.

Niedawne badanie opublikowane w Fizyczne listy przeglądowerozwiązuje tę zagadkę i toruje drogę do wiarygodnych obliczeń właściwości gorącej i zimnej materii jądrowej, które można przetestować w obecnych i przyszłych eksperymentach.

Dziwna forma materii jądrowej, którą fizycy badają w zderzeniach relatywistycznych ciężkich jonów, nazywana jest plazmą kwarkowo-gluonową (QGP). Ta forma materii istniała we wczesnym wszechświecie. Fizycy badają jego właściwości w eksperymentach zderzeń ciężkich jonów, odtwarzając ekstremalnie wysokie temperatury ostatnio obserwowane w mikrosekundach po Wielkim Wybuchu. Analizując dane eksperymentalne ze zderzeń i porównując je z obliczeniami teoretycznymi, fizycy mogą ustalić różne właściwości QGP. Metoda obliczeniowa zwana skalą osiową wcześniej wydawała się sugerować, że dwie właściwości QGP, które opisują, jak ciężkie kwarki poruszają się w QGP, są takie same.

Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology i University of Washington odkryli, że ta interpretacja jest błędna. Ich badanie dokładnie przeanalizowało również dokładne warunki, w których zastosowano skalę osiową, i wyjaśniło przyczynę anizotropii. Na koniec wykazał, że dwie różne metody pomiaru rozkładu gluonów, cząstek przenoszących silne oddziaływania, w jądrach powinny dawać różne wyniki. Ta prognoza zostanie przetestowana w przyszłym zderzaczu elektronowo-jonowym.