Naukowcy zademonstrowali nowy sposób wykorzystania zderzeń cząstek o wysokiej energii w Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów (RHIC) – obiekcie użytkownika Biura Naukowego Departamentu Energii USA (DOE) do badań fizyki jądrowej w Narodowym Laboratorium Brookhaven DOE – aby ujawnić subtelne szczegóły dotyczące kształtów jąder atomowych. Metoda opisana w artykule opublikowanym właśnie w Naturastanowi uzupełnienie technik niskoenergetycznych służących do określania struktury jądrowej. Pogłębi to wiedzę naukowców na temat jąder tworzących większość widzialnej materii.
„W tym nowym pomiarze nie tylko określamy ilościowo ogólny kształt jądra – niezależnie od tego, czy jest wydłużone jak piłka nożna, czy zgniecione jak mandarynka – ale także subtelną trójosiowość, względne różnice między jego trzema głównymi osiami, które charakteryzują kształt pomiędzy „piłką nożną” a „mandarynką”” – powiedział Jiangyong Jia, profesor na Uniwersytecie Stony Brook (SBU), który ma wspólne spotkanie w Brookhaven Lab i jest jednym z głównych autorów publikacji STAR Collaboration.
Odszyfrowywanie kształtów jąder ma znaczenie dla szerokiego zakresu zagadnień fizycznych, w tym tego, które atomy najprawdopodobniej rozszczepią się w wyniku rozszczepienia jądrowego, w jaki sposób powstają ciężkie pierwiastki atomowe w zderzeniach gwiazd neutronowych i które jądra mogą wskazać drogę do odkryć egzotycznych rozpadów cząstek. Wykorzystanie lepszej wiedzy na temat kształtów jądra atomowego pogłębi także wiedzę naukowców na temat warunków początkowych zupy cząstek naśladującej wczesny Wszechświat, która powstaje w wyniku energetycznych zderzeń cząstek w RHIC. Metodę tę można zastosować do analizy dodatkowych danych z RHIC, a także danych zebranych w wyniku zderzeń jądrowych w europejskim Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). Będzie to miało również znaczenie dla przyszłych badań jąder w Zderzaczu Elektronowo-Jonowym, ośrodku fizyki jądrowej znajdującym się na etapie projektowania w Brookhaven Lab.
Ostatecznie, ponieważ 99,9% widzialnej materii, z której zbudowani są ludzie oraz wszystkie gwiazdy i planety kosmosu, znajduje się w jądrach w środku atomów, zrozumienie tych jądrowych elementów składowych jest podstawą zrozumienia tego, kim jesteśmy.
„Najlepszym sposobem zademonstrowania solidności wiedzy z zakresu fizyki jądrowej zdobytej w RHIC jest pokazanie, że możemy zastosować wiedzę z zakresu technologii i fizyki w innych dziedzinach” – stwierdziła Jia. „Teraz, gdy zademonstrowaliśmy solidny sposób obrazowania struktury jądrowej, będzie wiele zastosowań”.
Od długiego czasu naświetlania po migawki typu stop-klatka
Przez dziesięciolecia naukowcy wykorzystywali eksperymenty niskoenergetyczne do wnioskowania o kształtach jąder, na przykład poprzez wzbudzanie jąder i obserwację fotonów, czyli cząstek światła, emitowanych podczas rozpadu jąder z powrotem do stanu podstawowego. Metoda ta bada ogólny układ przestrzenny protonów wewnątrz jądra, ale tylko w stosunkowo długiej skali czasu.
„W eksperymentach niskoenergetycznych przypomina to robienie zdjęcia przy długim czasie naświetlania” – powiedział Chun Shen, teoretyk z Wayne State University, którego obliczenia wykorzystano w nowej analizie.
Ponieważ czas ekspozycji jest długi, metody niskoenergetyczne nie wychwytują wszystkich subtelnych zmian w rozmieszczeniu protonów, które mogą wystąpić wewnątrz jądra w bardzo krótkich skalach czasowych. A ponieważ większość tych metod wykorzystuje oddziaływania elektromagnetyczne, nie można bezpośrednio „zobaczyć” nienaładowanych neutronów w jądrze.
„Otrzymujesz tylko średnią z całego systemu” – powiedział Dean Lee, teoretyk niskiej energii w Facility for Rare Isotope Beams, placówce użytkownika DOE Office of Science na Michigan State University. Chociaż Lee i Shen nie są współautorami badania, oni oraz inni teoretycy przyczynili się do opracowania tej nowej metody obrazowania jądrowego.
„Metoda obrazowania wysokoenergetycznego, która rejestruje wiele migawkowych klatek ujawniających informacje zarówno o protonach, jak i neutronach, jest o rząd wielkości szybsza” – powiedział Chunjian Zhang, były doktorant SBU, obecnie młodszy pracownik naukowy na Uniwersytecie Fudan , który współprowadził analizę STAR.
Co ważne, wszystkie zdjęcia wykonane przez detektor STAR firmy RHIC pochodzą z różnych zdarzeń kolizyjnych.
„Nie można wielokrotnie obrazować tych samych jąder, ponieważ niszczy się je podczas zderzenia” – zauważyła Jia. Jednak patrząc na całą kolekcję obrazów z wielu różnych zderzeń, naukowcy mogą zrekonstruować subtelne właściwości trójwymiarowej struktury rozbitych jąder.
Jak wyjaśnił Lee: „Podczas każdego zderzenia zatrzymujesz na chwilę czas i sprawdzasz, gdzie znajdują się wszystkie protony i neutrony. Za każdym razem, gdy to robisz, rozkład jest inny ze względu na kwantową naturę jąder atomowych. Zatem wysokość Metoda -energy rejestruje mnóstwo informacji i mnóstwo złożoności, których nie badamy w eksperymentach niskoenergetycznych.”
Odtwarzanie kształtów z gruzu
Jak dokładnie STAR widzi tę złożoność, jeśli jądra ulegną zniszczeniu? Śledząc, jak cząsteczki wylatują – i jak szybko – z najbardziej centralnych, czołowych zderzeń nuklearnych.
Jak zauważają naukowcy z projektu STAR w swoich Natura w artykule: „Jak na ironię, skutecznie realizuje to analogię (słynnego fizyka) Richarda Feynmana do pozornie niemożliwego zadania „wynalezienia zegarka kieszonkowego poprzez rozbicie dwóch razem i obserwację latających odłamków”.
Z wieloletnich eksperymentów w RHIC naukowcy wiedzą, że zderzenia jądrowe o wysokiej energii topią protony i neutrony jąder, uwalniając ich wewnętrzne elementy budulcowe, kwarki i gluony. Kształt i ekspansja każdej gorącej plamy stopionej materii jądrowej, zwanej plazmą kwarkowo-gluonową (QGP), zależy od kształtu zderzających się jąder. Kształt i rozmiar każdej plamki QGP bezpośrednio wpływają na gradienty ciśnienia generowane w tej plamce plazmy, co z kolei wpływa na zbiorowy przepływ i pęd cząstek emitowanych podczas chłodzenia QGP.
Naukowcy z projektu STAR doszli do wniosku, że mogliby dokonać „odwrotnej inżynierii” tej zależności w celu uzyskania informacji o strukturze jądrowej. Przeanalizowali przepływ i pęd cząstek powstających w wyniku zderzeń i porównali je z modelami ekspansji hydrodynamicznej dla różnych kształtów QGP, aby uzyskać kształty pierwotnie zderzających się jąder.
Aby wykazać, że ich metoda działa, porównali centralne zderzenia jąder złota – które na podstawie badań niskoenergetycznych uważa się za bliskie kulistości – z centralnymi zderzeniami jąder uranu, które mają wyraźnie wydłużony kształt przypominający piłkę nożną. Ponieważ jądra złota są prawie kuliste, nie powinno być dużych zmian we wzorcach przepływu emitowanych cząstek od zderzenia do zderzenia.
„Centralne zderzenia jąder złota tworzą okrągły QGP o stałym rozmiarze, który rozszerza się równomiernie we wszystkich kierunkach” – powiedział Shengli Huang, naukowiec z SBU, który był współkierownikiem analizy STAR. „Z drugiej strony podłużne jądra uranu mogą zderzać się w szerokim zakresie orientacji, tworząc kropelki QGP o różnych kształtach i rozmiarach” – powiedział. Naukowcy spodziewali się zatem, że centralne zderzenia uranu wykażą znacznie większą zmienność wzorców przepływu.
To właśnie zaobserwowali.
Porównując pomiary zderzeń uran-uran i złoto-złoto oraz dopasowując te wyniki do modeli hydrodynamicznych, które z powodzeniem opisują inne cechy QGP, naukowcy byli w stanie wywnioskować ilościowy opis kształtu jądra uranu. Wyniki obejmują także pierwsze określenie względnych długości trzech głównych osi podłużnego jądra uranu.
Narzędzia komputerowe
Uzyskanie precyzyjnych przewidywań na podstawie różnych modeli hydrodynamicznych, w tym modelu Shena, stwarzało poważne wyzwania obliczeniowe. Wykonanie tego zadania zajęło ponad rok, a Zhang przeprowadził obliczenia w Open Science Grid. Zhang wykorzystał ponad 20 milionów godzin pracy jednostki centralnej (CPU), aby wygenerować ponad dziesięć milionów zdarzeń kolizyjnych na podstawie modeli hydrodynamicznych, które następnie dopasowano do danych eksperymentalnych.
„Wiele cech danych STAR wskazuje na znaczące różnice w kształcie jąder uranu i złota, ale pewność porównań danych obliczeniowych z modelem pomogła nam dokładniej określić ilościowo kształty jąder” – powiedział Zhang.
Chociaż celem tego badania było opracowanie nowej metody obrazowania jądrowego, uzyskane dane ujawniły pewne nowe informacje na temat jąder uranu. Zamiast obserwować zniekształcenia tylko w jednej głównej osi, które prowadzą do „wydłużenia” wydłużenia, naukowcy odkryli różnice we wszystkich trzech osiach, co sugeruje, że jądra uranu są bardziej złożone, niż wcześniej sądzono.
Rozszerzone efekty
Jak zauważono, nowa metoda poprawi wiedzę fizyków na temat warunków początkowych zderzeń ciężkich jonów, które generują QGP zarówno w RHIC, jak i LHC. Struktury jądrowe uzyskane w wyniku eksperymentów niskoenergetycznych odegrały kluczową rolę w analizach, które powiązały te warunki początkowe z wzorcami przepływu hydrodynamicznego, aby ustalić, że QGP powstały w tych zderzeniach jest niemal idealną cieczą. Naukowcy mogą teraz wykorzystać nową metodę do sprawdzenia zgodności z podejściami niskoenergetycznymi wykorzystującymi jądra takie jak uran, których struktura jest stosunkowo dobrze znana. To jeszcze bardziej zmniejszy niepewność co do warunków stanu początkowego, aby poprawić określanie właściwości QGP.
Metodę można również zastosować do określenia kształtów innych jąder, zwłaszcza tych, w przypadku których eksperymenty niskoenergetyczne dały ograniczone zrozumienie. Jednym z przykładów byłoby zastosowanie tej metody do tak zwanych jąder izobarowych – jąder o tej samej całkowitej liczbie protonów i neutronów (nukleonów), ale o różnych proporcjach każdego typu. Takie pary powstają, gdy dwa neutrony w „macierzystym” jądrze o wyższej liczbie neutronów przekształcają się w protony w procesie słabego rozpadu jądrowego, tworząc „córkę” o niższej liczbie neutronów – proces znany jako podwójny rozpad beta. Znajomość różnic w kształcie jąder macierzystych i potomnych może pomóc w zmniejszeniu niepewności modelu w eksperymentach poszukujących niewidocznego rodzaju rozpadu, znanego jako podwójny rozpad beta bez neutrin.
„Te badania mają wiele interdyscyplinarnych aspektów” – wyjaśniła Jia. „Fizyka jądrowa ma wiele dziedzin. Zwykle każda społeczność korzysta ze swoich własnych narzędzi – teorii i eksperymentów. Jednak dzięki tym wynikom społeczności zajmujące się niskoenergetyczną strukturą jądrową i reakcjami jądrowymi na całym świecie zwróciły na to uwagę. Kilka warsztatów, spotkań i Zorganizowano konferencje w celu zbadania powiązań między granicami wysokoenergetycznych i niskoenergetycznych w fizyce jądrowej, co pozwoliło nam lepiej się zrozumieć” – powiedział.
Prace te były wspierane przez Biuro Naukowe DOE, amerykańską Narodową Fundację Nauki (NSF) oraz szereg międzynarodowych agencji i organizacji wymienionych w artykule naukowym. Oprócz korzystania z Open Science Grid, wspieranego bezpośrednio przez NSF, badacze skorzystali z zasobów obliczeniowych w Scientific Data and Computing Center w Brookhaven Lab oraz w National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), które jest kolejnym Biurem Naukowym DOE obiekt użytkownika w Lawrence Berkeley National Laboratory w DOE.
