Srážky kyslíku odhalily plazma kvarků a gluonů i otisk tvaru jader

Srážky probíhaly při energii 5,36 TeV na dvojici nukleonů ve vztažné soustavě těžiště. ALICE tak mohl zkoumat kolektivní chování v systémech mnohem menších, než jsou srážky olova, s nimiž se výzkum QGP obvykle spojuje.

Co ALICE pozoroval při srážkách kyslíku

Plazma kvarků a gluonů je extrémně horký a hustý stav hmoty, v němž kvarky a gluony nejsou uzavřeny uvnitř jednotlivých hadronů. Jedním ze způsobů, jak jeho vznik hledat, je sledovat, co se děje s energetickými partony — stavebními složkami, z nichž později vznikají například piony — při průchodu tímto prostředím.

ALICE pozoroval potlačení výskytu vysokoenergetických pionů, které odpovídá tomu, že v srážkách kyslík–kyslík partony v médiu ztrácejí energii. Spolupráce ALICE tento jev označuje za přímý důkaz vzniku QGP a za rozšíření tohoto charakteristického signálu na dosud nejmenší zkoumaný jaderný srážkový systém.

ALICE současně měřil anizotropní kolektivní proudění částic, včetně eliptického proudění (v₂) a trojúhelníkového proudění (v₃), a to při srážkách kyslíku i neonu. Tyto koeficienty popisují preferované směry v rozložení částic vyletujících kolem osy srážky. Jejich výrazné hodnoty a závislost na centralitě srážky odpovídají chování podobnému rozpínající se tekutině, které popisují hydrodynamické modely.

Jak proudění prozradilo tvar jader

Porovnání fungovalo mimo jiné proto, že kyslík-16 a neon-20 nemají stejný tvar. Kyslík-16 je relativně kulatý, zatímco neon-20 má podle předpovědí — a nyní i podle dat ze srážek — protáhlý, prolatní tvar často přirovnávaný ke kuželce.

Když se dvě jádra srazí, oblast jejich počátečního překryvu nemusí být kruhová. Její geometrie ovlivňuje, jak se horká hmota rozpíná, a toto rozpínání se zapisuje do úhlového rozložení částic, které ze srážky vyletí.

V centrálních srážkách neon–neon naměřil ALICE vyšší koeficient eliptického proudění v₂ než při srážkách kyslík–kyslík. To odpovídá očekávání, že protáhlý tvar neonu zanechá silnější eliptický otisk než kulatější geometrie kyslíku.

Rozdíly mezi oběma systémy reprodukují výpočty jaderné struktury i hydrodynamické simulace. Jejich shoda s měřením podporuje výklad, podle něhož vzorec proudění vzniká především vlivem geometrie jader, nikoli jen náhodnými fluktuacemi.

Vědci tak v podstatě odvodili tvar jádra z proudění částic vytvořeného po srážce. Samotnou kolizi není možné přímo zobrazit — proběhne v nepředstavitelně krátkém okamžiku — ale její částicový „otisk“ uchovává informaci o počáteční konfiguraci.

Proč je výsledek důležitý

QGP se může projevit i v menším systému

Srážky olověných jader vytvářejí větší a déle žijící ohnivé koule, takže kolektivní jevy se v nich pozorují snáze. Kyslík a neon představují menší, mezilehlý systém mezi srážkami proton–proton a srážkami těžkých iontů.

Jejich studium umožňuje zkoumat, jak velikost a hustota systému ovlivňují vznik kolektivního chování. Lehké ionty proto pomáhají určit, jak malý může srážkový systém být, aby si stále zachoval hydrodynamické vlastnosti spojované s plazmatem kvarků a gluonů. Dosavadní výsledky naznačují, že při srážkách kyslíku se mohou současně objevit ztráty energie partonů i kolektivní proudění. Podrobný vztah mezi těmito signály a vlastnostmi vzniklého média však zůstává předmětem dalšího výzkumu.

Srážky jako sonda jaderné struktury

Experiment zároveň nabízí doplňkový způsob, jak zkoumat strukturu jader. Namísto klasického rozptylového experimentu, při němž částice zkoumá nehybné jádro, vědci porovnávají kolektivní proudění vzniklé při srážkách jader s odlišným vnitřním tvarem.

Kontrast mezi kyslíkem a neonem pomáhá zpřesňovat počáteční podmínky, které se používají v modelech srážek těžkých iontů.

Laboratorní okno do raného vesmíru

Plazma kvarků a gluonů připomíná extrémní stav hmoty, který podle fyzikálních modelů vyplňoval vesmír během prvních mikrosekund po velkém třesku — ještě předtím, než se kvarky a gluony uzavřely do protonů, neutronů a dalších hadronů.

Srážky lehkých iontů umožňují tento prapůvodní stav hmoty zkoumat v lépe nastavitelném systému a současně testovat hranici mezi jadernými srážkami, které vytvoří prostředí podobné tekutině, a těmi, které takové vlastnosti nemají.

Co bude dál?

Dostupné podklady neuvádějí potvrzený termín ani konkrétní seznam jader lehčích než kyslík, která by měla být použita při další kampani. Podporují však pokračování porovnávání různých systémů s lehkými ionty. Cílem je zmapovat minimální velikost a hustotu potřebnou pro chování podobné QGP a využít jádra s dobře známým tvarem ke zpřesnění modelů počáteční geometrie srážky.

Právě tato nejistota je součástí vědecké otázky. Kyslík a neon leží blízko hranice malých systémů, a budoucí měření proto budou muset stále přesněji rozlišovat vliv tvaru jader, fluktuací v počátečním stavu a skutečných ztrát energie způsobených prostředím.

Výsledek ALICE zatím přináší dvě propojená zjištění: při srážkách kyslíku se objevuje klíčový signál plazmatu kvarků a gluonů a porovnání kyslíku s neonem dokáže z rozpínajících se pozůstatků kolize udělat sondu tvaru atomových jader.