Fysikere ved US Department of Energy (DOE) Brookhaven National Laboratory and Stony Brook University (SBU) har vist, at partikler produceret i kollimerede spray kaldet Jets bevarer oplysninger om deres oprindelse i subatomære partikel -smashups. Undersøgelsen blev for nylig offentliggjort som redaktørens forslag i tidsskriftet Fysiske gennemgangsbreve.
“På trods af omfattende undersøgelser er forbindelsen mellem en jets oprindelige betingelser og dens endelige partikelfordeling forblevet undvigende,” sagde Charles Joseph Naim, en forskningsassistent ved Center for Frontiers in Nuclear Science (CFNS) i SBU’s Department of Physics and Astronomy. “Denne undersøgelse etablerer for første gang en direkte forbindelse mellem ‘sammenfiltringsentropien’ på det tidligste stadium af jetdannelse og de partikler, der opstår som en jet, udvikler sig.”
Beviserne kommer fra en analyse af jetpartikler, der kommer ud af proton-proton-kollisioner, der er fanget af Atlas-eksperimentet på The Large Hadron Collider, en cirkulær collider på 17 km-cirkulær beliggende i CERN, den europæiske organisation for nuklear forskning. I disse magtfulde kollisioner spreder de individuelle byggesten af de kolliderende protoner, kendt som kvarker og gluoner, hinanden og bliver undertiden banket fri med enorme mængder energi. Men kvarker kan ikke være fri længe. De og gluonerne, der normalt holder dem sammen, begynder straks at splitte og oprette forbindelse igen gennem en forgreningsproces kaldet fragmentering. Resultatet er dannelsen af mange nye sammensatte partikler lavet af par eller triplikater af kvarker – kollektivt kendt som hadroner – der sprøjter ud af kollisionen på en koordineret måde, det vil sige som en jet.
“Vi ønskede at se, om fordelingen af hadronerne i jetflyet var påvirket af niveauet af sammenfiltring blandt kvarker og gluoner på det tidspunkt, hvor jeten først blev dannet,” sagde Abhay Deshpande, en fremtrædende professor ved SBU. Deshpande har en fælles udnævnelse som direktør for videnskab for Electron-ion Collider (EIC), en ny nuklear fysikforskningsfacilitet under opførelse på Brookhaven Lab, og han tjener også i øjeblikket som Brookhaven Labs midlertidige associerede laboratoriedirektør for nuklear og partikelfysik.
Analysen blev delvis motiveret af tidligere forskning fra undersøgelsesmedforfattere Zhoudunming Tu og Dmitri Kharzeev, begge med fakultetsroller ved SBU og aftaler på Brookhaven Lab. Deres undersøgelse, der blev offentliggjort sidste år, afslørede en forbindelse mellem sammenfiltring mellem kvarker og gluoner inden for protoner og den samlede fordeling af partikler, der stammede fra proton-proton og elektron-proton-smashups. I dette arbejde, jo højere entanglement entropi blandt kvarker og gluoner, jo større er entropien eller “rodethed,” i fordelingen af produceret partikler.
“Denne tidligere undersøgelse afslørede, at der er maksimal sammenfiltring blandt kvarker og gluoner inden for højenergiprotonen,” sagde Tu. “I dette arbejde udvider vi denne tilgang til produktion af jetfly, der dannes fra fragmenteringen af disse kvarker og gluoner. Vil der også være maksimal sammenfiltring ‘inde’ i disse fragmenterende højenergi-kvarker og gluoner?”
En sådan tilstand af maksimal sammenfiltring blandt de jet-dannende kvarker og gluoner forudsiger en forbindelse mellem jetfragmenteringsfunktionen og entropien eller lidelsen af Hadrons, der kommer ud af jetflyet. Denne entropi ville blive observeret som et stort antal forskellige typer hadroner – hovedsageligt pioner, kaoner og protoner – der strejker detektoren. Omvendt ville en sådan observation af en høj grad af forstyrrelse blandt jetpartikler og dens korrelation med de indledende fragmenteringsforudsigelser være bevis for denne maksimale sammenfiltring i de fragmenterende kvarker og gluoner.
Da forskerne kiggede på dataene fra LHC’s proton-proton-kollisioner, matchede fordelingen af Jet Hadrons denne forudsigelse baseret på maksimal sammenfiltring i det tidligste trin i jetdannelsen.
“Denne nye undersøgelse tilbyder et nyt perspektiv på kvantniveau på fragmenteringsprocessen,” sagde Kharzeev.
Undersøg medforfatter Jaydeep Datta, en forsker ved SBU, tilføjet, “Denne undersøgelse baner vejen for yderligere udforskning af, hvordan kvanteforvikling påvirker Hadron-dannelse, herunder ved den kommende elektron-ion-collider.”
EIC vil have aktiv deltagelse fra mange Stony Brook University-fakulteter og studerende, og det lover hidtil uset præcision ved at studere kvanteforviklingseffekter i kollisioner med høj energi. EIC vil blandt andet sammenligne jetfly, der fremgår af elektron-proton-kollisioner med jetfly, der kommer ud af elektron-nukleus-kollisioner. Disse eksperimenter vil undersøge, hvor langt kvanteeffekterne strækker sig inden for kerner – og potentielt modificerer mikrokosmos inden for protoner.